При достаточных тепловых потоках и степени лиофобность поверхности характерной особенностью конденсации является непрерывное возникновение, естественный рост за счет конденсации, слияния и удаления капель с поверхности
теплообмена. Достижение отрывного размера, при котором капля скатывается под действием силы тяжести, происходит вследствие большого количества элементарных слияний.
Вероятностью акта слияния можно считать функцию плотности расположения капель на поверхности Лиофобные тела и скорости конденсации пара на отдельных каплях (или каплях с прилегающими участками). Как показано в восьмой главе, вероятность образования на определенном участке новой фазы увеличивается с увеличением переохлаждения пара, то есть с ростом температурного напора. Скоростная киносъемка процесса конденсации водяного пара с увеличением через микроскоп показывает, что мелкие капли растут быстро, далее скорость роста становится незначительной. На поверхности теплообмена, которая высвобождается после слияния отдельных капель, возникают новые мелкие капли, которые можно наблюдать начиная с размеров порядка микрометра, и процесс повторяется. Образующиеся крупные капли скатываются с поверхности стенки.
Различаются два вида конденсатных образований, находящихся на поверхности Лиофобные тела. Каждое из этих образований характеризуется размерами, соответственно больше или пение размерными с расстояниями действия межмолекулярных сил. К первым относятся крупные капли, толстые пленки, ко вторым - мелкие капли, тонкие пленки (на стыке крупных капель стенка - пара - жидкость могут проявляться эффекты тонких пленок). Толстые и тонкие пленки могут быть неоднородными по толщине, что позволяет распространить понятие пленки и на капли.
Рассмотрим возможное влияние неоднородности поверхности, на которой происходит конденсация пара. Учтем геометрическую неоднородность. Профилографы поверхности металлической стенки свидетельствуют о непрерывной перемижнисть углублений и выступов. Выделим достаточно малый элемент поверхности, состоящий из выступления и впадины (рис.13.2). В начальный момент конденсации пленка жидкости, которая образовалась на этом элементе, имеет толщину недалекую от толщины устойчивого адсорбционного слоя δ ≥ δ0).
Как показано в § 8.2, более вероятно, что пленка интенсивнее растет во впадинах. Здесь, при прочих равных условиях, слой должен быть толще. Разницы в толщина смачиваемой пленки должна привести к течению пленки за счет градиента давления расклинивания из области малой толщины в большой. Аналогичным образом действуют капиллярные силы первого рода. Учет градиента капиллярных сил позволяет отказаться от предположения о начальном неравномерность толщины пленки во впадинах и на выступлениях, которая неизбежно возникает при конденсации. Такое течение пленки приводит к образованию из зародышевой пленки зародышевой капли с последующим ее ростом.
Силы, возникающие при определенных условиях в рассматриваемом процессе, могут быть очень большими. Образование зародыше капли должно происходить практически мгновенно и одновременно с ростом пленки. Косвенными исследованиями есть подтверждение этого явления большой скоростью слияния отдельных капель. В опытах с микро киносъемкой процесса конденсации водяного пара при экспозиции кадра примерно 0,001 с не удалось проследить акты слияния. Зарегистрировались только начальные и конечные состояния капель, сливались.
Предложенная схема образования зародышевых капель должна быть наиболее резко выраженной при больших переохлаждениях пары ΔТк. Можно предположить, что при больших температурных напорах (или малых ΔТк), когда скорость образования конденсата становится больше скорости его стока в каплю (или равна ей), на поверхности стенки между каплями может существовать неравномерна по толщине и кривизне пленка конденсата, непрерывно флуктуа во времени.
Если скорость отвода жидкости превышает скорость конденсации на поверхности теплообмена будут регистрироваться только каплевидные частицы. Такое явление можно наблюдать при конденсации ртутного пара.
Таким образом, тонкую пленку на участках между растущими и каплями, которые сливаются между собой, можно представить только в динамике. Площади занятых тонкой пленкой и толстой (каплями), должны оцениваться как средние во времени величины. Если капля образуется вследствие свертывания тонкой пленки, то существование последнего при конденсации не вызывает сомнения. В дальнейшем можно только обсуждать вопрос об удельном весе каждого из отмеченных составляющих процесса.
Аналогично геометрической неоднородности могут действовать и неоднородности структуры поверхности стенки и другие факторы, влияющие на величину капиллярных сил, что, безусловно, затрудняют вопрос определения числа центров зародышеобразования.
Согласно Я.И.Френкель при конденсации на идеально однородной с физико-химической точки зрения Лиофобные поверхности стенки должны возникать разрывы пленки, которые носят флуктуационный характер. Положение точки разрыва в этом случае фиксируется на поверхности. Заметим возможности изменения физических свойств вещества, входящего в состав тонкой пленки по сравнению с массивом этой жидкости. При нахождении вещества во внутренних силовых полях смежных фаз могут изменяться такие свойства, как коэффициент вязкости, теплопроводности, плотности и др..
Можно считать, что при длительном процессе во впадинах может задерживаться жидкость. Вследствие этого влияние тонких пленок в определенной степени ослабевает. Кроме геометрической неоднородности вероятность появления новой фазы или необходимо переохлаждение пары могут зависеть от структурной неоднородности поверхностного слоя твердого тела, вызванных разрывом лиофобных свойств на отдельных участках.
Влияние таких дефектов носит двойственный характер. Если дефекты обусловливают уменьшение работы образования зародыша, то в этом случае можно ожидать появление жизнеспособной новой фазы (для активного прохождения капельной конденсации размеры таких участков должны быть пение размерными с равновесными размерами зародыша).
Таким образом, возможность возникновения первичных образований жидкой фазы на Лиофобные поверхности зависит от большого количества факторов. Но во всех случаях вероятность образования зародышей пропорциональна переохлаждению пара (температурном напора). Учитывая, что коэффициент пропорциональности является функцией рассмотренных ранее факторов (таких, как микро геометрическая неоднородность, неоднородность структуры и др..), То можно найти особые участки поверхности, которые обеспечивают начало конденсации как при сравнительно малых температурных напорах, так и при больших переохлаждениях ΔТк. Средние характеристики процесса (такие, как количество зародышей, образующихся в единицу времени на единичной поверхности, среднее переохлаждение и др.). Должны рассматриваться как среднестатистические величины.
Эффекты слияния капель играют значительную роль в процессах капельной конденсации, обеспечивая быстрое появление на поверхности теплообмена капель с отрывным значением радиуса. При этом освобождается часть поверхности теплообмена. Дисперсная фаза имеет большую поверхность контакта с паром и меньше термодинамический сопротивление. Достижение отрывного размера в результате объединения более мелких капель должно обеспечивать значительную среднюю интенсивность процесса конденсации по сравнению с автономным ростом капель.
Таким образом, массовое слияние капель можно рассматривать как одну из причин интенсификации процесса теплообмена. При этом освобождается определенное количество центров конденсации и процесс повторяется. Следовательно, при капельной конденсации водяного пара небольшого давления на участках, занятых тонкой пленкой, суммарный термическое сопротивление в основном ограничивается термическим сопротивлением фазового перехода. Роль фазового сопротивления увеличивается с уменьшением коэффициента конденсации.
Выполненный анализ показывает, что роль эффектов капиллярности второго рода своеобразная и сравнительно ограничена. Эффекты такой пленки в основном актуальны для механизма гетерогенного образования зародыша жидкой фазы. Если считать, что все необходимые характеристики центров конденсации или зародышей (например, их поверхностная плотность, размеры, частота образования и др.). Заданы, то при изучении теплообмена роль капиллярных эффектов второго рода может быть сведенной к минимуму.
Действительно, давление расклинивания актуален только для тонких пленок и капель, при этом же основным термическим сопротивлением является термическое сопротивление фазового перехода. Подвижность жидкой фазы, вызванная давлением расклинивания, не должна проявляться в суммарных характеристиках термического сопротивления конденсата.
Фазовый сопротивление теряет свою актуальность при сравнительно больших толщина жидкой фазы. При этом подвижность конденсата должна быть обусловлена поверхностным натяжением (пара считается практически неподвижной). В то же время вероятность образования новой фазы зависит от особых свойств тонкой пленки.