Процессы и аппараты упаковочного производства
ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ
Этот вид теплоотдачи, а также теплоотдача при кипении жидкостей протекают при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Особенность этих процессов состоит прежде всего в том, что тепло подводится или отводится при постоянной температуре.
Теплоотдача при Конденсации насыщенных паров Представляет собой сложное явление одновременного переноса теплоты (определяемое теплотой парообразования) и массы (определяемой количеством сконденсированного пара).
Конденсация насыщенного пара на охлаждаемой поверхности приводит к значительной интенсификации теплообмена по cpaвнению. Молекулы пара создают собственное поступательное движение к стенке, так как в непосредственном соседстве с ней происходят конденсация паpa и резкое уменьшение его объема. Образовавшийся конденсат стекает по стенке, а к стенке подходит свежий пар. Чем холоднее стенка, тем интенсивнее идут конденсация и движение молекул пара к стенке. Перенос теплоты и основной массы пара к стенке идет настолько быстро, что степень турбулизации потока не оказывает существенного влияния на процесс и часто может не учитываться в расчетах.
На хорошо смачиваемых поверхностях капли конденсата, сливаясь друг с другом, образуют жидкую пленку, которая под действием силы тяжести стекает вниз. Такую конденсацию пара называют Пленочной. На несмачиваемой или плохо смачиваемой поверхности капли конденсата быстро стекают («скатываются») по поверхности стенки, не образуя пленки. Такой вид конденсации называют Капельной. Капельная конденсация на практике реализуется редко, несмотря на то что коэффициенты теплоотдачи в этом случае в несколько раз выше коэффициентов теплоотдачи при пленочной конденсации.
Рис. 11-8. К выводу уравнения (11.58)
В теплообменных аппаратах обычно конденсация паров происходит по пленочному механизму.
При пленочной конденсации на стенке вследствие разности температур (TП — TCT) Образуется пленка конденсата (рис. 11-8), которая постепенно увеличивается по мере стекания. При этом увеличивается и термическое сопротивление пленки.
При ламинарном режиме движения стекающей пленки конденсата количество DQ Теплоты, проходящее через элементарную площадку DF Этой пленки, определяется по формуле
(11.49)
Где 
И 
— соответственно теплопроводность и толщина пленки конденсата.
Это же количество теплоты можно выразить с помощью уравнения теплоотдачи:
DQ = 
. (11.50)
Тогда из уравнений (11.49) и (11.50) получим коэффициент теплоотдачи 
:
(11.50)
Толщина пленки зависит от высоты Н Стенки, по которой стекает пленка конденсата, и от физических свойств конденсата.
Ранее (см. гл. 6) было получено уравнение для определения толщины пленки жидкости, стекающей по вертикальной стенке:
, (11.52)
где Г = WSpПL, Кг/(м-с)-линейная плотность орошения; w-средняя скорость движения пленки; S-площадь сечения пленки; П-периметр поверхности, по которой стекает пленка.
На элементе высоты пленки DН Толщина пленки увеличивается на dS, что приводит к увеличению Г на dГ. Из уравнения (11.52)
(11.53)
Тогда
. (11.54)
Количество теплоты, отданное пленке паром в количестве dГ определяется по формуле dQ=RdГ. Это же количество теш проходит через слой пленки конденсата толщиной и высотой dH:
. (11.55)
Полагая, что tст = const (т. е. физические свойства пленки остаются постоянными на высоте) и ось Z Направлена в интегрируем уравнение (11.55) в пределах от 0 до и от 0 до Н, предварительно разделив переменные:
,
Откуда
. (11.56)
Тогда локальный коэффициент теплопередачи
. (11.57)
Средний по высоте Н коэффициент теплоотдачи 
получим из уравнения (11.57):
,
Или
(11.58)
Согласно экспериментальным результатам, значение численного множителя в уравнении (11.58) несколько выше и равно сличение коэффициента теплоотдачи может быть объяснено действием поверхностного натяжения жидкой фазы, которое с силами инерции приводит к появлению на наружной поверхности пленки волнообразного течения. При конденсации пара на поверхности горизонтальной трубы значение числового множителя в уравнении (11.58) равно 0,726, и вместо величины Н следует подставить наружный диаметр трубы. В случае конденсации пара на наружной поверхности пучка горизонтальных труб слой конденсата на нижерасположенных трубах увеличивается, и, следовательно, коэффициент теплоотдачи при этом должен уменьшаться. При приближенных расчетах можно принять, что средний для всего пучка трубок коэффициент теплоотдачи 
[где - коэффициент теплоотдачи, определяемый по уравнению (11.58) с коэффициентом 0,726; 
= 0,7 при П 
100 и е = 0,6 при П > 100; n-число трубок в пучке]. При конденсации Пара на наклонной поверхности коэффициент теплоотдачи, полученный по уравнению (11.58), следует умножить на величину (sin 
)0,25, где -угол наклона поверхности конденсации к горизонту.
Зависимость (11.58) можно получить также обработкой экспериментальных данных с использованием методов теории подобия на основе критериального уравнения
Nu=/(Ga, Pr, K),
где К = R/(C 
t) -Критерий конденсации; r-теплота парообразования.
Критерий конденсации (или фазового превращения) представляет собой отношение теплоты фазового перехода R К теплоте охлаждения конденсата от температуры насыщения до температуры поверхности.
Все физические константы в уравнении (11.58) относятся к конденсату при его средней температуре 0,5(tП + tСТ). Величиной T = TП — TСт в уравнении (11.58) задаются (обычно в пределах 3-8 К), а затем, после определения , проверяют ее методом' последовательных приближений.
