15 апреля 2017г.
Возрастающая потребность в энергосбережении приводит к необходимости совершенствования рекуперативных теплообменных аппаратов, в том числе и теплообменников с конденсацией греющего теплоносителя.
Одним из вариантов интенсификации теплообмена при конденсации является переход от пленочной к капельной форме конденсации, при которой коэффициент теплоотдачи в несколько раз выше, чем при пленочной [7].
Высокие значения коэффициента теплоотдачи при капельной конденсации объясняются отсутствием на поверхности теплообмена сплошной пленки конденсата, которая в данном случае является основным термическим сопротивлением. В случае капельной конденсации происходит скатывание образовавшихся отдельных капель жидкости с поверхности теплообмена [2].
К сожалению, до настоящего времени практически отсутствуют промышленные теплообменные аппараты, в которых осуществляется процесс капельной конденсации теплоносителя. Это связано с тем, что при использовании традиционных способов осуществления капельной конденсации, сложно поддерживать гидрофобные свойства поверхности теплообмена в течение длительного времени.
Как следует из результатов исследований [5, 7], гидрофобизацию поверхности конденсации можно осуществлять двумя основными способами: предварительным созданием гидрофобного слоя на поверхности теплообмена или введением гидрофобизирующих добавок в поток конденсирующегося пара.
Предварительное создание на поверхности теплообмена гидрофобного покрытия возможно механическим, химическим и электрохимическим путем – например, осаждением металлов (золото, платина, хром) или изменением структуры поверхности теплообмена [1, 3, 7, 8].
В работах с предварительным нанесением гидрофобного покрытия [4, 5, 7] приводятся данные об использовании в качестве активаторов капельной конденсации различных веществ (машинное масло СУ, олеиновая кислота, стеариновая кислота, керосин, октадецилселеноцианид). Однако, долговечность таких покрытий исчислялась от нескольких минут до десятков часов. Поэтому в качестве активаторов, по- видимому, могут применяться только те вещества, которые адсорбируются на поверхности или прочно удерживаются ею другим путем [6]. Кроме того, была отмечена интенсивная капельная конденсация водяного пара на медной поверхности покрытой пленкой фторопласта-4 толщиной 3 мкм [5].
Основными недостатками предварительного нанесения активаторов капельной конденсации на поверхность теплообмена являются: сложность создания покрытий толщиной (1-3)•10-6 м; низкая стойкость большинства таких пленок к разрушению в процессе эксплуатации приводящая к нарушению стабильности капельной конденсации [7]. Кроме того, увеличение толщины пленки активатора может приводить к понижению коэффициента теплопередачи за счет возрастания собственного термического сопротивления гидрофобного покрытия [5].
Другим способом достижения капельной конденсации теплоносителя является введение активатора непосредственно в конденсирующийся пар или в питательную воду парового котла [2]. В этом случае появляется возможность восстанавливать гидрофобную пленку на поверхности и поддерживать стабильную капельную конденсацию в течение длительного времени [7]. В качестве активаторов вводимых в пар или питательную воду различные авторы использовали органические соединения, молекула которых с углеводородной частью содержит полярные, активные, образующие связь с металлом группы типа =S-SH, =Se, -SeCN, -PS, -NH2, -OH, -COOH и др. [5].
Хорошая адсорбция была отмечена у так называемых катионоактивных веществ - солей первичных, вторичных, третичных и четвертичных аммониевых оснований содержащих в своей основе атом азота. В качестве активатора часто применялся октадециламин (ОДА) C18H37NH2, способный образовать на металлической поверхности мономолекулярный слой. Возникающую ориентированную связь вещества с металлической поверхностью многие авторы объясняют наличием у атома азота неподеленной пары электронов. Ориентированный в жидкую фазу углеводородный радикал образует водоотталкивающую «щетку» («частокол Лэнгмюра») придающий поверхности гидрофобные свойства. При этом, как отмечено во многих работах, максимальной гидрофобностью обладают мономолекулярные слои. Кроме того, такой слой не приводит к увеличению гидравлического сопротивления теплообменного аппарата. [5, 7]. Адсорбционный слой, благодаря своей поверхностной активности вытесняет с поверхности теплообмена молекулы воды и предохраняет поверхность металла от воздействия кислорода, углекислоты и других агрессивных веществ. В этом случае применение гидрофобизатора позволяет защитить поверхности конденсации от коррозии [7].
Однако в некоторых случаях возможна конденсация самого активатора на теплообменных поверхностях и образование гидрофобного слоя обладающего повышенным термическим сопротивлением [7]. Также при выборе активатора также необходимо учитывать, что некоторые вещества, могут разлагаться при повышении температуры. В качестве примера подобных веществ можно привести ОДА термолиз которого начинается при температуре 95 °С и выше [7].
Для гидрофобизации медной поверхности некоторые авторы применяли олеиновую кислоту, образующую при контакте с медью в присутствии кислорода медную соль олеиновой кислоты, являющуюся хорошим гидрофобизатором капельной конденсации. [2, 5]. В ряде работ с целью получения капельной конденсации на медных поверхностях использовались меркаптаны, тиобензил, октилтиоцианат [6, 8].
К активаторам, обеспечивающим капельную конденсацию на поверхностях теплообмена, предъявляют следующие требования [2, 5]:
1. гидрофобизатор должен обеспечивать устойчивую капельную конденсацию поддерживающуюся в
течении длительного времени;
2. гидрофобизатор не должен вызывать коррозию, ухудшать работу теплообменного оборудования;
3. гидрофобизатор должен быть нетоксичным и недорогим.
Ввиду предъявленных требований большой интерес представляет применение наноструктурированных поверхностей в целях гидрофобизации [1, 3].
Выводы:
1. Одним из эффективных способов интенсификации теплоотдачи при конденсации пара является использование капельной конденсации;
2. При выборе активатора поверхности теплообмена, обеспечивающего капельную конденсацию, необходимо учитывать технологические особенности получения гидрофобного слоя, долговечность поддержания устойчивой капельной конденсации;
3. Наряду с интенсификацией теплообмена, в ряде случаев, применение активаторов капельной конденсации позволяет защитить поверхности теплообменных аппаратов от коррозии.
Список литературы
1. Аникин С.А., Кривопалова Е.В. Методы создания супергидрофобной поверхности меди в виде микро- и наноиголок для увеличения теплопроводности в теплообменниках в конденсаторах пара // Успехи в химии и химической технологии: Сб. научных трудов, 2013 Т. XXVII. №6. С.87-91
2. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. Л., Судостроение, 1969, 264 с.
3. Дмитриев А.С. Введение в нанотеплофизику М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. – 790 с. : ил. – (Нанотехнологии)
4. Иванов В.В. Исследование теплообмена при капельной конденсации пара – В кн.: Известия Томского политехнического института, 1962, т. 110, С. 95-102
5. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации М.: Энергия, 1977, 240 с.
6. Мак-Адамс В.Х. Теплопередача. М., Металлургиздат, 1961, 686 с.
7. Филиппов Г. А., Салтанов Г. А. Кукушкин А. Н. Гидродинамика и тепломассообмен в присутствии поверхностно-активных веществ. М.: Энергоатомиздат 1988, 184 с.
8. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т. 1/ Пер. с англ., под ред. Б. С. Петухова, В. К. Шикова. – М. : Энергоатомиздат, 1987. – 560 с.
