Quá trình ngưng tụ là một quá trình rất phức tạp, đặc biệt là quá trình trao đổi nhiệt trong khi ngưng, vì khi đó có sự biến đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng gọi là tỏa nhiệt khi ngưng hơi.
Quá trình ngưng hơi chỉ có thể xảy ra khi hơi ở trạng thái dưới giới hạn do làm lạnh hoặc nén. Nếu quá trình ngưng thực hiện ở nhiệt độ và áp suất trên điểm ba thể của vật chất đã cho thì hơi được ngưng thành trạng thái lỏng.
Vùng xảy ra các quá trình ngưng hơi có thể ở trong thể tích khối hơi khi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở áp suất tương ứng hoặc cũng có thể xảy ra trên bề mặt vật được làm lạnh.
Thực tế chúng ta thường gặp là quá trình hơi ngưng thành trạng thái lỏng trên bề mặt rắn, ví dụ quá trình ngưng hơi trong các bình ngưng của tuabin nhà máy nhiệt điện, ngưng hơi môi chất trong các thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh, hiện tượng đọng sương trong các máy lạnh hay điều hoà không khí dân dụng, công nghiệp, hiện tượng ngưng một số hóa chất trong các thiết bị của nhà máy hóa chất…
Cho nên, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ngưng tụ là rất cần thiết để nâng cao khả năng ngưng tụ trong các thiết bị của các hệ thống nóng, lạnh khác nhau, góp phần vào việc làm giảm giá thành sản phẩm.
Nghiên cứu dòng môi chất 2 pha liên quan đến quá trình ngưng tụ
Nghiên cứu dòng môi chất 2 pha là một quá trình nghiên cứu vô cùng phức tạp hệ số truyền nhiệt và áp suất giảm liên quan chặt chẽ với dòng môi chất hai pha cục bộ và cơ cấu hình thành dòng chảy của chất lỏng, nó được coi là một khía cạnh quan trọng của mô hình dòng chảy lúc ngưng tụ. Trong thực tế, các mô hình truyền nhiệt để dự đoán mô hình dòng chảy cục bộ khi ngưng tụ, khi chuyển từ dòng môi chất hai pha sang dòng chảy khác.
Mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống dọc
Đối với các hiện tượng lưu lượng dòng chảy của lỏng và hơi trong một ống thẳng đứng, chất lỏng và các quá trình phân phối hơi vào trong ống dọc. Đây được gọi là mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống dọc và chúng được mô tả như sau:
– Dòng chảy bong bóng: hơi bảo hoà ẩm được phân tán ở dạng bong bóng rời rạc trong giai đoạn lỏng liên tục. Các bong bóng có thể khác nhau về kích thước, hình dạng nhưng chúng thường gần như hình cầu có đường kính nhỏ hơn nhiều so với đường kính ống.
– Dòng chảy chậm: các bong bóng nhỏ tập hợp lại gần nhau, va chạm với nhau và hình thành bong bóng lớn hơn, chiếm một phần trong đường kính ống, gọi là bong bóng Taylor có hình dạng tương tự như một viên đạn với đoạn đầu hình bán cầu và đoạn đuôi cùn, làm cho dòng chảy chậm. Bong bóng Taylor được bao quanh bởi một màng chất lỏng mỏng giữa chúng và vách ống, chảy xuống do trọng lực.
– Dòng chảy khuấy tung: Vận tốc dòng chảy tăng, cấu trúc của dòng chảy trở nên không ổn định với chất lỏng đi lên và xuống, tạo dao động nhưng với một dòng chảy hướng lên. Đây là chế độ trung gian giữa chế độ dòng chảy chậm với chế độ chảy hình vành khuyên.
– Dòng chảy hình khuyên: khi vận tốc dòng chảy tăng, các màng chất lỏng trở nên chiếm ưu thế hơn trọng lực, chất lỏng bị bật ra từ tâm của ống và chảy như một màng mỏng trên vách thành hình vành khuyên. Chất lỏng ở tâm có chế độ dòng chảy ổn định.
Mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống nằm ngang
Mô hình dòng môi chất hai pha trong các ống nằm ngang tương tự như trong dòng chảy thẳng đứng, nhưng phân bố của chất lỏng chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn, có các loại sau:
– Dòng chảy bong bóng: hơi bong bóng được phân tán lẫn trong chất lỏng với nồng độ cao chủ yếu là ở nửa phía trên của ống do sức nổi của nó.
– Dòng chảy phân tầng: chất lỏng ở vị trí thấp và dòng hơi hoàn thành tách thành hai giai đoạn: hơi đi vào phía trên và chất lỏng ở đáy của ống cách nhau bằng một bề mặt nằm ngang. Do đó chất lỏng và hơi được phân tầng đầy đủ trong chế độ này.
– Dòng chảy phân tầng lượn sóng: Tăng tốc độ hơi trong dòng chảy phân tầng, sóng được hình thành trên bề mặt và đi theo hướng dòng chảy. Biên độ của sóng phụ thuộc vào vận tốc tương đối, gợn nhấp nhô của nó không đạt đến đỉnh ống.
– Dòng chảy chặn: Đường kính của các bong bóng kéo dài nhỏ hơn ống, lỏng chạy liên tục dọc theo phía dưới của ống. Dòng chảy chặn đôi khi được gọi là bong bóng chảy kéo dài.
– Dòng chảy chậm: khi vận tốc hơi cao hơn, đường kính của bong bóng kéo dài có kích thước gần bằng đường kính ống, dòng chảy có biên độ sóng lớn.
– Dòng chảy hình khuyên: Ở quá trình dòng chảy hơi lớn hơn, chất lỏng tạo thành một màng hình khuyên liên tục quanh chu vi ống, tương tự như dòng chảy thẳng đứng, nhưng các màng chất lỏng ở phía dưới dày hơn ở phía trên.
Qua thực nghiệm nghiên cứu, khảo sát trên thiết bị ngưng tụ bằng ống thuỷ tinh của hệ thống lạnh ta thống kê được hình ảnh mô phỏng quá trình chảy của dòng môi chất khi ngưng tụ ở ống đặt nằm ngang như sau:
