Інтенсифікація теплообміну при конденсації на мікро- та наномасштабах
Сторінки роботи
зміст роботи
Лекція 14. Інтенсифікація теплообміну при конденсації на мікро- і наномасштабах
Лекція 15. Крапельна конденсація
Ефективним методом інтенсифікації теплообміну є організація процесу крапельної конденсації.
Крапельна конденсація має місце у тих випадках, коли рідина не змочує поверхню теплообміну та забезпечує високу ефективність передачі тепла. При краплинній конденсації поверхня покрита окремими краплями. Важливу роль явищі змочування поверхні грає її структура. Шорсткі поверхні і поверхні з пористим покриттям можуть змінити характеристики змочування. Яскравим прикладом такої зміни є «ефект пелюсток лотоса». Гідрофобні властивості листа лотоса створюються не тільки за рахунок воскоподібного покриття, а й особливої мікроструктури поверхні. Рельєф листа лотоса утворений виступами та западинами мікронного розміру, покритими окремими «крупинками» гідрофобної речовини діаметром у кілька нанометрів. Потрапивши на таку поверхню, крапля набуває форми, близької до сферичної, і легко скочується з неї. "Ефект листа лотоса" лежить в основі створення гідрофобних покриттів, на яких може бути реалізована краплинна конденсація.
Для реалізації крапельної конденсації водяної пари розроблені гідрофобізатори ряду поліфторалкілдисульфідів. Вони є рідинами в інтервалі температур від - 60 до +200 про З і не утворюють теплообмінної поверхні пухкого осаду. Дані сполуки мають високу термостабільність, хорошу хемосорбцію на поверхнях, що містять мідь. Дані матеріали дозволяють створити краплинну конденсацію водяної пари на поверхнях теплообміну. Результатидосліджень застосування гідрофобізатора (поліфторалкілдисульфіду) для трубок з матеріалів МНЖ5-1 і Л68 показали, що коефіцієнт тепловіддачі з боку пари втричі перевищує тепловіддачу при плівковій конденсації. Напівпромислові випробування дослідного модуля (56 горизонтальних трубок, матеріал - МНЖ5-1), включеного паралельно конденсатору турбіни К-300-240 на Рефтинській ГРЕС, показали, що гідрофобізатор при одноразовому нанесенні на поверхню теплообміну забезпечив підтримку краплинної конденсації протягом 450.
Як видно на Мал. 92 1.95 при реалізації крапельної конденсації стінка покрита маленькими краплями. Поверхня між краплями покрита ультратонкою плівкою конденсату, що має дуже малий термічний опір. При краплинній конденсації сили міжмолекулярного зчеплення (когезії) конденсату більше сил тяжіння конденсату до поверхні. Завдяки дії сил міжмолекулярного зчеплення рідина прагне зайняти мінімальний обсяг і набуває сферичної форми. Досягнувши деякого критичного розміру, краплі під впливом сили тяжкості скочуються з поверхні, звільняючи її освіти нових крапель.
Мал. 1. 9 5 2 Трубка, на якій відбувається крапельна конденсація
Методи отримання крапельної конденсації
Крапельна конденсація має місце на твердих поверхнях із відносно низькою поверхневою енергією. Для створення подібних поверхонь можуть застосовуватись різні технології нанесення або іонного легування. Для отримання крапельної конденсації застосовувалися тонкошарові металоорганічні сполуки або полімерні покриття з низькою енергією поверхні. Крапельна конденсація була отримана на алмазоподібних та іонно-легованих покриттях на основі алюмінію та міді. Нещодавновідкриті графенові плівки та листи привертають особливу увагу з огляду на те, що теплообмін при конденсації на подібних покриттях не досліджений.
Прогрес нанотехнологій уможливив виробництво нанорозмірних структур. В якості прикладу гідрофобного матеріалу, що застосовується для отримання крапельної конденсації, використовуються тефлон, перфторооктан сульфонат, вуглецеві нано-трубки та ін. Також застосовуються методи хімічного осадження, осадження випару плазми, електрохімічного осадження та ін. .
Однак відомі методи для одержання краплинної конденсації не забезпечують її стабільності та їх застосування у техніці проблематично. Тому актуальна розробка способів отримання гідрофобних покриттів реалізації крапельної конденсації в техніці.
Таблиця 1 . Методи отримання покриттів на мікро- та наномасштабах.
Рис 1 . 96 93 . Структура різних гідрофобних покриттів
Опис крапельної конденсації пари.
Малюнок 94 1.97. Коефіцієнти тепловіддачі при плівковій та краплинній конденсації
На рис. 94 1.97 представлені експериментальні та розрахункові дані по тепловіддачі, отримані при тиску 0,2 МПа.
Розрахунок проведено з використанням балансів тепла та маси для окремої краплі та емпіричних виразів, що описують швидкість зростання краплі та їх розподіл по поверхні.
Отримано, що коефіцієнт тепловіддачі при краплинній конденсації водяної пари вищий, ніж при плівковій до 2,5 разів.
Для розрахунку тепловіддачі при плівковій конденсації використовується формула Нуссельта:
(1.44)