Основные положения. Конденсация – процесс фазового перехода первого рода

Конденсация – процесс фазового перехода первого рода. Переход из парообразного (или газообразного) состояния в жидкое, сопровождающийся выделением скрытой теплоты парообразования r, кДж/кг.

Из термодинамики известно, что фазовый переход 1-го рода проходит при постоянном давлении р и постоянной температуре Т.

Тройная точка – точка равновесного сосуществования всех трёх фаз, согласно правилу фаз Гиббса (число степеней свободы системы или число независимых параметров состояния P, v, T равно числу компонентов системы, минус число фаз, плюс 2.). .

Для однокомпонентной системы, например Н₂О, :

.

Для трёхфазной системы число степеней свободы равно 0, это значит, что система в тройной точке, не имеет никакой свободы. Стоит изменить на сотую долю температуру Т, и система перейдёт в жидкое или твёрдое состояние.

Параметры тройной точки для воды: Па; .

Параметры критической точки: МПа; .

Для двухфазной системы (конденсации), и следовательно, состояние равновесия двухфазной системы определяется одним параметром (либо давлением р, либо температурой Т), т.к. каждому давлению соответствует своя температура конденсации, и с ростом р растёт температура конденсации Т.

Из термодинамики процесс конденсации – превращение сухого насыщенного пара в кипящую жидкость.

Фазы отличаются друг от друга только плотностью (удельным объёмом J), а так же энтропией s.

Скрытая теплота парообразования r – количество теплоты, выделяющееся при превращении 1-го кг сухого насыщенного пара в один кг жидкости при постоянном давлении. В Тs-диаграмме – это заштрихованная площадь, в is-диаграмме – это отрезок. Если конденсируется конденсируемый пар, то в расчётную формулу необходимо подставить вместо r энтальпию перегретого пара как . Если конденсируется влажный пар, то вместо r ставим . Конденсация возможна в объёме (инверсионный след самолёта. Конденсация водяных паров, находящихся в продуктах сгорания реактивного двигателя, т.к. температура атмосферного воздуха на этой высоте ниже температуры точки росы. Это можно наблюдать зимой при конденсации водяных паров после автомобильных двигателей). В теплоэнергетике конденсация происходит на поверхности теплообмена (конденсация пара после турбины на трубках конденсатора, охлаждаемого водой).

Конденсация на твёрдой поверхности теплообменника может быть капельной или плёночной.

Капельная конденсация – конденсат скапливается на твёрдой поверхности в виде капель.

Плёночная конденсация – в виде движущейся плёнки.

Капельная происходит в том случае, когда конденсат не смачивает поверхность теплообменника, плёночная – при смачивании поверхности теплообменника.

Эффект смачиваемости поверхности теплообмена определяется краевым углом смачивания q, образованным поверхностью жидкости и поверхностью твёрдого тела, граничащим с паром.

Состояние равновесия капли на твёрдой поверхности определяется уравнением: . (1.1)

Если , то – жидкость смачивает поверхность;

если , то – жидкость не смачивает поверхность.

Вода имеет краевой угол смачивания 50°, ртуть – 137°, поэтому вода как основной теплоноситель смачивает поверхность теплообмена, и поэтому происходит плёночная конденсация водяного пара.

.

Т.к. основным термическим сопротивлением при плёночной конденсации является толщина самой плёнки , то при капельной конденсации, когда эта плёнка разрывается, интенсивность теплоотдачи больше в 10 – 20 раз, чем при капельной конденсации. Капельная конденсация водяного пара может возникнуть на поверхностях, имеющих масляное загрязнение или быть вызвана искусственно с помощью гидрофабизаторов, которые вводятся либо в питательную воду, либо в пар.