Конденсатор (теплопередача)

Чтобы узнать о конденсаторах, не связанных с теплопередачей, см. Конденсатор (значения) .

Конденсаторный змеевик холодильника

В системах, связанных с тепла , конденсатор — это теплообменник, используемый для конденсации газообразного передачей вещества в жидкое состояние посредством охлаждения. При этом скрытое тепло выделяется веществом и передается в окружающую среду. Конденсаторы используются для эффективного отвода тепла во многих промышленных системах. Конденсаторы могут быть изготовлены в соответствии с многочисленными конструкциями и иметь разные размеры: от довольно маленьких (ручных) до очень больших (агрегатов промышленного масштаба, используемых в технологических процессах предприятий). Например, в холодильнике используется конденсатор для вывода тепла, отводимого из внутреннего пространства устройства, в наружный воздух.

Конденсаторы используются в кондиционировании воздуха , промышленных химических процессах, таких как дистилляция , паровых электростанциях и других системах теплообмена. Использование охлаждающей воды или окружающего воздуха в качестве хладагента распространено во многих конденсаторах.

История

Самый ранний лабораторный конденсатор, « Gegenstromkühler » (противоточный конденсатор), был изобретен в 1771 году шведско-немецким химиком Кристианом Вайгелем . К середине 19 века немецкий химик Юстус фон Либих представил свои собственные усовершенствования предыдущих конструкций Вейгеля и Иоганна Фридриха Августа Геттлинга , и это устройство стало известно как конденсатор Либиха .

Принцип работы

Конденсатор предназначен для передачи тепла от рабочего тела (например, воды в паровой электростанции) вторичной жидкости или окружающему воздуху. Конденсатор основан на эффективной передаче тепла, которая происходит во время фазовых переходов, в данном случае во время конденсации пара в жидкость. Пар обычно поступает в конденсатор при температуре выше температуры вторичной жидкости. По мере охлаждения пар достигает температуры насыщения , конденсируется в жидкость и выделяет большое количество скрытого тепла . По мере того как этот процесс происходит вдоль конденсатора, количество пара уменьшается, а количество жидкости увеличивается; на выходе конденсатора остается только жидкость. Некоторые конструкции конденсаторов содержат дополнительную длину для переохлаждения этой конденсированной жидкости ниже температуры насыщения.

Существует бесчисленное множество вариаций конструкции конденсатора, причем конструктивные переменные включают рабочую жидкость, вторичную жидкость, геометрию и материал. Обычные вторичные жидкости включают воду, воздух, хладагенты или материалы с фазовым переходом .

Конденсаторы имеют два существенных конструктивных преимущества перед другими технологиями охлаждения:

• Передача тепла за счет скрытого тепла гораздо более эффективна, чем передача тепла за счет явного тепла. только
• Температура рабочей жидкости во время конденсации остается относительно постоянной, что максимизирует разницу температур между рабочей и вторичной жидкостью.

Примеры конденсаторов

Поверхностный конденсатор

— Поверхностный конденсатор это конденсатор, в котором конденсирующая среда и пары физически разделены и используются, когда прямой контакт нежелателен. Это кожухотрубный теплообменник , устанавливаемый на выходе каждой паровой турбины тепловых электростанций . Обычно охлаждающая вода течет через трубчатую сторону, а пар поступает в корпус, где конденсация происходит на внешней стороне теплообменных трубок. Конденсат стекает вниз и собирается внизу, часто во встроенном поддоне, называемом горячим колодцем . Сторона корпуса часто работает в условиях вакуума или частичного вакуума, создаваемого разницей удельных объемов пара и конденсата. И наоборот, пар может подаваться через трубы с охлаждающей водой или воздухом, обтекающим снаружи.

Химия

Основная статья: Конденсатор (лаборатория)

В химии конденсатор — это аппарат, который охлаждает горячие пары , заставляя их конденсироваться в жидкость . Примеры включают конденсатор Либиха , конденсатор Грэма и конденсатор Аллина . Это не следует путать с реакцией конденсации , которая связывает два фрагмента в одну молекулу посредством реакции присоединения и реакции отщепления.

В лабораторных дистилляционных , обратных и ротационных испарителях обычно используются конденсаторы нескольких типов. Конденсатор Либиха представляет собой просто прямую трубку внутри рубашки охлаждающей воды и является самой простой (и относительно дешевой) формой конденсатора. Конденсатор Грэма представляет собой спиральную трубку внутри водяной рубашки, а конденсатор Аллина имеет ряд больших и малых сужений на внутренней трубке, каждое из которых увеличивает площадь поверхности, на которой могут конденсироваться компоненты пара. Поскольку последние типы более сложны в изготовлении, их приобретение также обходится дороже. Эти три типа конденсаторов представляют собой лабораторную стеклянную посуду , поскольку обычно они изготавливаются из стекла. Имеющиеся в продаже конденсаторы обычно оснащены притертыми стеклянными соединениями и имеют стандартную длину 100, 200 и 400 мм. Конденсаторы с воздушным охлаждением не имеют рубашки, а конденсаторы с водяным охлаждением содержат рубашку для воды.

Промышленная дистилляция

Конденсаторы большего размера также используются в процессах дистилляции промышленного масштаба для охлаждения дистиллированного пара в жидкий дистиллят. Обычно охлаждающая жидкость течет через сторону трубы, а дистиллированный пар - через сторону корпуса, при этом дистиллят собирается на дне или вытекает наружу.

Кондиционер

Конденсаторный агрегат центрального кондиционирования для типичного дома

Конденсаторный блок на крыше, установленный на крыше 10-й серии муниципального метро Осаки вагона метро (апрель 2008 г.)

Конденсаторный блок, используемый в центральных системах кондиционирования воздуха, обычно имеет секцию теплообменника для охлаждения и конденсации поступающего пара хладагента в жидкость, компрессор для повышения давления хладагента и его перемещения, а также вентилятор для продувки наружного воздуха посредством тепла. секция теплообменника для охлаждения хладагента внутри. Типичная конфигурация такого конденсаторного агрегата выглядит следующим образом: Секция теплообменника охватывает боковые стороны агрегата с компрессором внутри. В этой секции теплообменника хладагент проходит через несколько трубок, окруженных ребрами теплопередачи, через которые охлаждающий воздух может циркулировать снаружи внутрь агрегата. Это также увеличивает площадь поверхности. Внутри конденсаторного блока около верхней части находится вентилятор с электроприводом , который закрыт решеткой, предотвращающей случайное попадание каких-либо предметов внутрь вентилятора. Вентилятор используется для втягивания наружного охлаждающего воздуха через секцию теплообменника по бокам и выдувания его сверху через решетку. Эти конденсаторные агрегаты расположены снаружи здания, которое они пытаются охладить, с трубками между агрегатом и зданием: один для входа парового хладагента, а другой для жидкого хладагента, выходящего из агрегата. Конечно, электропитание необходимо для компрессора и вентилятора внутри агрегата.

Прямой контакт

В конденсаторе с прямым контактом горячий пар и холодная жидкость вводятся в сосуд и смешиваются напрямую, а не разделяются барьером, таким как стенка трубки теплообменника. Пар отдает свое скрытое тепло и конденсируется в жидкость, а жидкость поглощает это тепло и подвергается повышению температуры. Поступающие пар и жидкость обычно содержат одно конденсируемое вещество, например, водяные брызги, используемые для охлаждения воздуха и регулирования его влажности.

Уравнение

Для идеального одноходового конденсатора, хладагент которого имеет постоянную плотность, постоянную теплоемкость, линейную энтальпию во всем температурном диапазоне, идеальную поперечную теплопередачу и нулевую продольную теплопередачу, а трубки имеют постоянный периметр, постоянную толщину и постоянную теплоту. проводимости, и у которого конденсирующаяся жидкость идеально перемешана и имеет постоянную температуру, температура теплоносителя изменяется вдоль его трубки согласно:

$$\Theta (x)={\frac {T_{H}-T(x)}{T_{H}-T(0)}}=e^{-NTU}=e^{-{\frac {hPx}{{\dot {m}}c}}}=e^{-{\frac {Gx}{{\dot {m}}cL}}}$$

где:

• $x$ расстояние от входа охлаждающей жидкости
• $T(x)$ — температура охлаждающей жидкости, а Т (0) — температура охлаждающей жидкости на входе в нее.
• $T_{H}$ температура горячей жидкости
• $NTU$ количество единиц передачи
• $m$ - массовый (или другой) расход теплоносителя
• $c$ - теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении на единицу массы (или др.)
• $h$ - коэффициент теплопередачи трубки теплоносителя
• $P$ периметр трубки охлаждающей жидкости
• $G$ — теплопроводность трубки охлаждающей жидкости (часто обозначается $UA$)
• $L$ длина трубки охлаждающей жидкости

См. также

• Конденсатор (лабораторный)
• Воздушный колодец (конденсатор)