Συμπύκνωση (Condensation)

Transcript

1 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Πανεπιστημίου Θεσσαλίας Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Εισαγωγή Μεταφορά θερμότητας σε μία Εμβάθυνση στα Φαινόμενα Μεταφοράς επιφάνεια συμβαίνει με συμπύκνωση όταν η θερμοκρασία της επιφάνειας T w <T sat T w <T sat Συμπύκνωση (Condensation) είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία κορεσμού του ατμού που βρίσκεται σε επαφή με την επιφάνεια. Τύποι συμπύκνωσης - Σε σταγόνες και σε υμένα - Άμεση, έμμεση, ομογενής /5 Εισαγωγή ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΣΕ ΥΜΕΝΑ (filmwise condensation) Το συμπύκνωμα σχηματίζει έναν συνεχή υγρό υμένα πάνω στην επιφάνεια συμπύκνωσης που ρέει προς τα κάτω T s <T sat Χαρακτηριστικό καθαρής, μη-ρυπασμένης επιφάνειας Συμπύκνωση με υμένα πάνω σε - Επίπεδη πλάκα - Εξωτερικά/εσωτερικά αγωγών σε υμένα Σε σταγόνες Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι μικρότερος από ότι στη συμπύκνωση με σταγόνες (λόγω της παρουσίας του υγρού φιλμ), αλλά προβλέψιμος και σταθερός. Σχεδόν όλες οι βιομηχανικές εγκαταστάσεις σχεδιάζονται για αυτόν τον τύπο συμπύκνωσης. /5 4/5

2 ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΣΕ ΣΤΑΓΟΝΕΣ (dropwise condensation) ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΣΕ ΣΤΑΓΟΝΕΣ (dropwise condensation) Το συμπύκνωμα σχηματίζει σταγόνες (<100 μm) πάνω στην επιφάνεια συμπύκνωσης κυρίως λόγω χαμηλής ικανότητας διαβροχής (wettability) και πάνω σε οπές, κοιλότητες, ρωγμές κτλ. Οι σταγόνες ρέουν προς τα κάτω λόγω βαρύτητας. T s <T sat Υψηλοί συντελεστές μεταφοράς θερμότητας ( kw/m K). Πάντως πολύ γρήγορα μπορεί να μετατραπεί σε συμπύκνωση με υμένα. Ο τύπος αυτός μπορεί να προωθηθεί με: - Επικάλυψη της επιφάνειας (π.χ. με τεφλόν, με ευγενές μέταλλο) - Πρόσθετα στο ρεύμα του ατμού Σημαντική ακόμη έρευνα απαιτείται για να έχουμε αυτόν τον τύπο σε βιομηχανικές εφαρμογές. 5/5 6/5 ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΣΕ ΣΤΑΓΟΝΕΣ (dropwise condensation) ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΣΕ ΣΤΑΓΟΝΕΣ (dropwise condensation) H. Muller-Steinhagen: έξυπνες επιφάνειας μπορεί να βελτιώσουν τη μεταφορά θερμότητας σε εναλλάκτες. (Institute for Thermodynamics and thermal engineering, University of Stuttgart) Συμπύκνωση ατμού σε κατακόρυφη χάλκινη πλάκα σε 1 atm. Το αριστερό τμήμα έχει επικαλυφθεί με από λεπτό υμένα ελαϊκού χαλκού. (J. F. Welch and J. W. Westwater, Department of Chemical Engineering, University of Illinois, Urbana) 7/5 8/5

3 ΟΜΟΓΕΝΗΣ ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ (homogeneous condensation) ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΑΜΕΣΗΣ ΕΠΑΦΗΣ (direct contact condensation) Με μορφή μικρών σταγόνων που σχηματίζουν ένα είδος «ομίχλης». Οι σταγόνες πολλές φορές πολύ μικρές για να διαχωριστούν Η ομίχλη και τα σύννεφα σχηματίζονται με ομογενή συμπύκνωση Ανεπιθύμητη σε βιομηχανικές εφαρμογές - Απώλειες μέσω του συστήματος απαγωγής (venting) Ομογενής ατμός συμπύκνωση Πυρηνογένεση υγρών σταγόνων Ετερογενής Υπόψυκτο υγρό έρχεται σε επαφή με ατμό Η λανθάνουσα θερμότητα ανυψώνει τη θερμοκρασία του υπόψυκτου υγρού Αποδοτική μορφή εναλλαγής θερμότητας - Μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού - Αφαλάτωση θαλασσινού νερού - Ψύξη του πυρήνα πυρηνικών αντιδραστήρων σε επείγουσες περιπτώσεις Ψεκασμός υγρού ατμός ατμός - πιθανή πηγή ρύπανσης «Ομίχλη» 9/5 10/5 Συμπύκνωση σε στιβάδα σε επίπεδη επιφάνεια Ανάλυση Nusselt για στρωτή ροή Ανάλυση Nusselt για στρωτή ροή: παραδοχές Ο ατμός αποβάλλει μόνο τη λανθάνουσα θερμότητα Η ροή της στιβάδας στρωτή. Η μετάδοση θερμότητας μέσω της στιβάδας γίνεται μόνο με αγωγή. Το πάχος της στιβάδας σε κάθε σημείο εξαρτάται από τη U ave και από το ποσό του συμπυκνώματος που διέρχεται από αυτό το σημείο. Η ποσότητα του συμπυκνώματος ανάλογη της ποσότητας θερμότητας που μεταφέρεται. Η στιβάδα είναι επαρκώς λεπτή ώστε η κλίση της θερμοκρασίας μέσα στην στιβάδα να είναι γραμμική. Οι ιδιότητες του υγρού υπολογίζονται στη μέση θερμοκρασία της στιβάδας. Η θερμοκρασία της επιφάνειας του στερεού είναι σταθερή. Η επιφάνεια είναι σχετικά λεία και καθαρή. 11/5 Ταχύτητα της στιβάδας Η μέση ταχύτητα του υγρού H μαζική ροή της στιβάδας Γ() ανά μονάδα πλάτους b Η ροή μάζας στο d αυξάνει κατά Η ποσότητα θερμότητας που απομακρύνεται Από το νόμο του Fourier Από τον ορισμό του τοπικού συντελεστή μετάδοσης θερμότητας h y G u() y 1 u() u(, y) y 0 d ( )g G d d d g (4) (1) m() ( )g G () G () u () b dq dm bd (5) k sat s dq q b d (T T ) b d (6) ( )g k G d (T T ) sat s d (7) d 1/5

4 Ανάλυση Nusselt για στρωτή ροή Ανάλυση Nusselt για στρωτή ροή Από τις (6) & (7) προκύπτει: Ολοκληρώνοντας την (7) με Σ.Σ. δ(0)=0: Λύνοντας ως προς δ, Ο τοπικός συντελεστής μεταφοράς θερμ. Ο τοπικός Nusselt k h (8) k 4 sat 4 ( )g G 4 k (T T ) ( )g G (T T ) (9) sat s () (10) k k ( )g G h 4 (T T ) sat s Nu h ( )g G k 4 k (T T ) sat s s (11) (1) Ο μέσος συντελεστή μεταφοράς hθερμότητας από =0 έως = ως εξής : h 1 4 k ( )g G 4 h 0 4 (T T ) sat s Ο μέσος αρ. Nusselt hd (1) k ( )g G h 0, 94 (T T ) sat s Όπου τα k, ρ και μ υπολογίζονται σε h ( )g G Nu 0, 94 k k (T T ) sat s sat w T T T (14) 1/5 14/5 Ο μέσος αριθμός Nusselt μπορεί να γραφεί: Όπου Z, κινηματικό ιξώδες υγρού ( )g g G 4 και Re Ανάλυση Nusselt για στρωτή ροή 1/ 1/ hz 1/ Nu 1, 47 Re (14) k Επαλήθευση της ανάλυσης Nusselt Οι αρχικές προσπάθειες για την επαλήθευση της ανάλυσης ήταν ανεπιτυχείς λόγω: Της παρουσίας μη-συμπυκνώσιμων αερίων Της συνύπαρξης με συμπύκνωση με σταγόνες Της επίδρασης της εξαναγκασμένης συναγωγής του ατμού (διάτμηση από τον ατμό) Της ύπαρξης κυματισμών, τύρβης και παφλασμού του υμένα. Πειράματα σε «συνθήκες Nusselt» επιβεβαιώνουν τη θεωρία. Συνολική μαζική παροχή συμπυκνώματος m h (T T ) sat s b Επέκταση της ανάλυσης Nusselt Υπόψυκτο συμπύκνωμα Bromley (195), Rohsenow (1956) Συναγωγή και αδρανειακά φαινόμενα του συμπυκνώματος - Sparrow and Gregg (1959a, 1959b) ιατμητική τάση στη διεπιφάνεια - Koh et al (1961), Chen (1961) 15/5 16/5

5 Συμπύκνωση σε στιβάδα σε κεκλιμένη επιφάνεια Περιορισμοί της ανάλυσης Nusselt (a) Υπόψυξη και αδράνεια k h 0,94 ( ) gcos (T T ) sat w G Λόγω της θερμοκρασιακής κλίσης στην υγρή στιβάδα, το υγρό κοντά στην «ψυχρή» επιφάνεια είναι υπόψυκτο Q c (T T ) p Συχνά τα φαινόμενα αυτά λαμβάνονται υπόψη με την τροποποίηση της λανθάνουσας θερμότητας εξάτμισης σύμφωνα με τη σχέση sat (1 0, 68Ja) w υγρό Τ G όπου c (T T ) p sat w Ja Τ w Τ sat ατμός 17/5 18/5 Περιορισμοί της ανάλυσης Nusselt Συμπύκνωση σε στιβάδα: Επιφανειακά κύματα (β) Επιφανειακά κύματα hz Nu 1, 47 Re k 1/ 1/ h /g Re 1, k 1,08 Re 5, Nu για 0 Re h (T T ) sat s Re Re 4,81, 7k (T T ) sat s g 0,8 1/ 1/ h /g Re -0,5 0,75 k Pr Re 5 Nu για Re / 1/ 0,5 0, 069k (T T )Pr sat s g 0,5 Re 151 Pr 5 19/5 0/5

6 Συμπύκνωση σε στιβάδα: Επίδραση μη-συμπυκνώσιμων αερίων Γενική προσέγγιση στη συμπύκνωση Στο εσωτερικό αγωγών Στο εξωτερικό αγωγών 1/5 /5 Συμπύκνωση υμένα σε ακτινικά συστήματα Συμπύκνωση υμένα σε ακτινικά συστήματα h D Για μονό αγωγό ή σφαίρα C g k T T D l sat w Σφαίρα (a): C =0,86 Αγωγός (b): C =0,79 Condensing surface Vapor from the boiler Gravity Για κατακόρυφη συστοιχία Ν αγωγών (c) g k hd,n 0,79 N T sat T w D Καλή συμφωνία για καθαρούς ατμούς. Πρόβλημα με κυματισμούς iquid coolant (water) flowing inside the hollow condensing surface iquid condensate Outside diameter: 0.75, Steam pressure: vacuum (<5 kpa) Kim et al., ATE (001) /5 4/5

7 h N 1 Συμπύκνωση σε συστοιχία αγωγών h N 1/n h 1 συντελεστής μεταφοράς θερμότητας για τον πρώτο (επάνω) αγωγό. Η ανάλυση Nusselt n=4, ο Kern, με βάση την εμπειρία του, προτείνει n=6. Ενίσχυση Συμπύκνωσης υμένα Έχει βρεθεί ότι πολύ μικρές συγκεντρώσεις αιθανόλης (π.χ. 0,05% - 0,1% κ.β.) στην υγρή φάση μπορεί να οδηγήσουν σε σημαντικά υψηλές τιμές συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (-4 φορές) σε σχέση με καθαρό ατμό (Murase et al. 006) Συμπύκνωση Marangoni Η τεχνική της ηλεκτροϋδροδυναμικής ενίσχυσης (electrohydrodynamic enhancement, EHD) χρησιμοποιεί ηλεκτρικό φορτίο υψηλού δυναμικού και χαμηλής έντασης με στόχο την ανάμιξη του συμπυκνώματος ή την απομάκρυνσή του από την επιφάνεια του αγωγού. Στην τεχνική αυτή απαιτείται το ρευστό να έχει χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, όπως είναι τα ψυκτικά μέσα. Συνεπώς οι περισσότερες εργασίες αναφέρονται σε ψυκτικά ή σε μίγματα ψυκτικών.. 5/5 6/5 Συμπύκνωση με σταγόνες Συμπύκνωση με σταγόνες Ο Griffith (198) προτείνει τις παρακάτω απλές σχέσεις για τη συμπύκνωση υδρατμών πάνω σε χάλκινες επιφάνειες: q h A T T dc dc sat w hdc Tsat C<Tsat 100 C h T 100 C sat όπου h dc είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με σταγόνες σε W/m ºC και T sat και T w σε ºC. Outside diameter: 0.75, Pressure: Vacuum (<5 kpa) w/ Cu/SAM coating 7/5 8/5

8 Συμπύκνωση υμένα σε οριζόντιο αγωγό Συμπύκνωση υμένα σε οριζόντιο αγωγό Η ανάλυση της μεταφοράς θερμότητας με συμπύκνωση στο εσωτερικό οριζόντιων αγωγών είναι περισσότερο πολύπλοκη και επηρεάζεται σημαντικά, εκτός από τη βαρύτητα, από την ταχύτητα του ατμού, το ρυθμό συσσώρευσης του συμπυκνώματος και το καθεστώς διφασικής ροής που δημιουργείται. Καθεστώτα ροής για συμπύκνωση σε οριζόντιο αγωγό. Καθεστώτα ροής για συμπύκνωση σε οριζόντιο αγωγό. 9/5 0/5 Συμπύκνωση υμένα σε οριζόντιο αγωγό Συμπύκνωση υμένα σε οριζόντιο αγωγό Εμπειρικές σχέσεις Για μικρή παροχή ατμού, η ροή του συμπυκνώματος (Chato, 196) u D m, Re 5,000 :,i um, D i Re,i 5, 000 : i : συνθήκες εισόδου του ατμού στον αγωγό i ' g k h 0, 555 D T T s wd ' 0,75 T T s w Η διαδικασία συμπύκνωσης σε οριζόντιο αγωγό πάνω στο χάρτη Baker Για μεγαλύτερες ταχύτητες ατμού, η ροή δακτυλιοειδής 1/5 /5

9 Συμπύκνωση υμένα σε οριζόντιο αγωγό Συμπύκνωση υμένα σε οριζόντιο αγωγό Καθεστώτα ροής κατά τη διάρκεια συμπύκνωσης στο εσωτερικό οριζόντιων αγωγών με λεία τοιχώματα (Dobson, 1994) /5 4/5 Συμπύκνωση στο εξωτερικό οριζόντιου αγωγού 5/5