Интенсификация теплообмена при конденсации на микро- и наномасштабах

Лекция 14. Интенсификация теплообмена  при конденсации на микро- и наномасштабах

Лекция 15. Капельная конденсация

Эффективным методом интенсификации теплообмена является организация процесса капельной конденсации.

Капельная конденсация имеет место в тех случаях, когда жидкость не смачивает поверхность теплообмена и обеспечивает высокую эффективность передачи тепла.  При капельной конденсации поверхность покрыта отдельными каплями. Важную роль в явлении смачивания поверхности играет её структура. Шероховатые поверхности и поверхности с пористым покрытием могут изменить характеристики смачивания. Ярким примером такого изменения является «эффект лепестков лотоса». Гидрофобные свойства листа лотоса создаются не только за счет воскоподобного покрытия, но и особой микроструктуры поверхности. Рельеф листа лотоса образован выступами и впадинами микронного размера, покрытыми отдельными «крупинками» гидрофобного вещества диаметром в несколько нанометров. Попав на такую поверхность, капля принимает форму, близкую к сферической, и легко скатывается с нее. «Эффект листа лотоса» лежит в основе создания гидрофобных покрытий, на которых может быть реализована капельная конденсация.

Для реализации капельной конденсации водяного пара разработаны гидрофобизаторы ряда полифторалкилдисульфидов. Они являются жидкостями в интервале температур от - 60 до +200 ^оС и не образуют на теплообменной поверхности рыхлого осадка. Данные соединения обладают высокой термостабильностью, хорошей хемосорбцией на медьсодержащих поверхностях. Данные материалы позволяют создать капельную конденсацию водяного пара на поверхностях теплообмена. Результаты исследований применения гидрофобизатора (полифторалкилдисульфида) для трубок из материалов МНЖ5-1 и Л68   показали, что коэффициент теплоотдачи со стороны пара втрое превышает теплоотдачу при пленочной конденсации. Полупромышленные испытания опытного модуля (56 горизонтальных трубок, материал - МНЖ5-1), включенного параллельно конденсатору турбины К-300-240 на Рефтинской ГРЭС, показали, что гидрофобизатор при однократном нанесении на поверхность теплообмена обеспечил поддержание капельной конденсации в течение 4500 часов.

Как видно на Рис. 921.95, при реализации капельной конденсации стенка покрыта маленькими каплями. Поверхность между каплями покрыта ультратонкой пленкой конденсата, имеющей очень малое термическое сопротивление. При капельной конденсации силы межмолекулярного сцепления (когезии) конденсата больше сил притяжения конденсата к поверхности. Благодаря действию сил межмолекулярного сцепления, жидкость стремится занять минимальный объем  и принимает сферическую форму. Достигнув некоторого критического размера, капли под действием силы тяжести скатываются с поверхности, освобождая её для образования новых капель.

Рис. 1.952 Трубка, на которой  происходит капельная конденсация

Методы получения капельной конденсации

Капельная конденсация имеет место на твердых поверхностях с относительно низкой поверхностной энергией. Для создания подобных поверхностей могут применяться различные технологии нанесения или ионного легирования. Для получения капельной конденсации применялись тонкослойные металлоорганические соединения или полимерные покрытия с низкой поверхностной энергией. Капельная конденсация была получена на алмазоподобных и ионно-легированных покрытиях на основе алюминия и меди. Недавно открытые графеновые пленки и листы привлекают особое внимание, учитывая, что теплообмен при конденсации на подобных покрытиях не исследован.

Прогресс нанотехнологий сделал возможным производство наноразмерных структур. В качестве примера гидрофобного материала, применяемого для получения капельной конденсации, используются тефлон, перфторооктан сульфонат, углеродистые нано-трубки и др. Также применяются методы химического осаждения, осаждения выпара плазмы, электрохимического осаждения и др. Структура строения различных гидрофобных покрытий показана на рисунке 93 1.96.

Однако известные методы для получения капельной конденсации не обеспечивают её стабильности и их применение в технике проблематично. Поэтому актуальна разработка способов получения гидрофобных покрытий для реализации капельной конденсации в технике.

Таблица 1. Методы получения  покрытий на микро- и наномасштабах.

Рис 1.9693. Структура  различных гидрофобных покрытий

Описание капельной конденсации пара.

Рисунок 941.97. Коэффициенты теплоотдачи при пленочной и капельной конденсации

На рис. 941.97 представлены экспериментальные и расчетные данные по теплоотдаче, полученные при давлении 0,2 МПа.

Расчет проведен с использованием балансов тепла и массы для отдельной капли и эмпирических выражений, описывающих скорость роста капли и их распределение по поверхности.

Получено, что коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации водяного пара выше, чем при пленочной до 2,5 раз .

Для расчета теплоотдачи при пленочной конденсации используется формула Нуссельта :

                                                     (1.44)