Конденсация (от позднелат. condensatio - уплотнение, сгущение), переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое при докритических параметрах; фазовый переход первого рода. Конденсация - экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода - теплота конденсация Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении (см. Росы точка). Конденсация происходит при изотермическом сжатии, адиабатическом расширении и охлаждении пара или одновременном понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсированная фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. Если при этом давление и температура выше, чем в тройной точке для данного вещества, образуется жидкость (сжижение), если ниже - вещество переходит в твердое состояние, минуя жидкое (десублимация).
Конденсация широко применяется в хим. технологии для разделения смесей посредством конденсации фракционной, при сушке и очистке веществ и др., в энергетике, например в конденсаторах паровых турбин, в холодильной технике для конденсация рабочего тела, в опреснительных установках и др. При конденсации паров в узких порах адсорбентов последние могут поглощать значит. кол-ва вещества из газовой фазы (см. Капиллярная конденсация). Следствие конденсация водяного пара в атмосфере - дождь, снег, роса, иней.
Конденсация в жидкое состояние. В случае конденсации в объеме пара или парогазовой смеси (гомогенная конденсация) конденсированная фаза образуется в виде мелких капель жидкости (тумана) или мелких кристаллов. Для этого необходимо наличие центров конденсация, которыми могут служить очень мелкие капельки жидкости (зародыши), образующиеся в результате флуктуации плотности газовой фазы, пылинки и частицы, несущие электрические заряд (ионы). При отсутствии центров конденсация пар может в течение длительного времени находиться в так называемом метастабильном (пересыщенном) состоянии. Устойчивая гомогенная конденсация начинается при так называемом критическом пересыщении Пкp=pк/pн где рк- равновесное давление, соответствующее критическому диаметру зародышей, рн - давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости (напр., для водяного пара в воздухе. очищенном от твердых частиц или ионов. Пкр=5-8). Образование тумана наблюдается как в природе, так и в технологических аппаратах, например при охлаждении парогазовой смеси вследствие лучеиспускания, смешении влажных газов.
Конденсация на поверхности твердого тела насыщенного или перегретого пара происходит при температуре поверхности, которая меньше, чем температура насыщения пара при его равновесном давлении над ней. Наблюдается во многих промышленных аппаратах, которые служат для конденсация целевых продуктов, подогрева различных сред, разделения паровых и парогазовых смесей, охлаждения влажных газов и т.д. При сжижении пара на поверхности твердого тела, хорошо смачивающейся конденсатом, образуется сплошная пленка жидкости (пленочная конденсация); на поверхности, не смачивающейся конденсатом или смачивающейся частично, - отдельные капли (капельная конденсация); на поверхности с неоднородными свойствами (напр., на полированной металлической с окисленными загрязненными участками) - зоны, покрытые пленкой конденсата и каплями (смешанная конденсация).
При пленочной конденсации чистых паров неметаллов коэффициент теплоотдачи определяется в основном термическим сопротивлением пленки конденсата, которое зависит от режима ее течения. Последний в случае практически неподвижного пара определяется числом Рейнольдса пленки: Rепл=wd/vк, где w, d - соотв. средняя по сечению скорость и толщина пленки конденсата, vк -кинематич. вязкость конденсата. Для конденсация на вертикальной пластине или трубе при Rепл менее 5-8 течение пленки чисто ламинарное, при превышении этих значений Rепл - ламинарно-волновое, при Reпл>>350-400 - турбулентное. На вертикальных поверхностях значительные высоты могут наблюдаться области с разл. режимами течения пленки конденсата. При ламинарном течении увеличение Reпл с возрастанием толщины пленки приводит к уменьшению коэф. теплоотдачи, при турбулентном течении - к его увеличению. Если пар перегрет, конденсация сопровождается конвективной теплоотдачей от пара к конденсату, температура поверхности которого практически равна температуре насыщения при давлении пара. Для веществ с большой теплотой конденсация (напр., вода, спирты) теплота перегрева обычно незначительна по сравнению с теплотой конденсация, и ею можно пренебречь.
В случае пленочной конденсации движущегося пара касательное напряжение на поверхности раздела фаз, обусловленное межфазным трением и переносом импульса частицами сконденсировавшегося пара, которые присоединяются к пленке конденсата, вызывает при нисходящем потоке пара увеличение скорости и уменьшение толщины пленки, в результате чего коэф. теплоотдачи увеличивается. При более высоких скоростях парового потока воздействие его на пленку конденсата может приводить не только к изменению ее скорости и толщины, но и к возмущению течения (образование волн, турбулизация), интенсифицирующему теплоперенос в пленке. Если поток пара направлен вверх, движение ламинарной пленки конденсата тормозится, толщина ее увеличивается и коэф. теплоотдачи уменьшается по мере возрастания скорости пара до тех пор, пока действие межфазного трения не вызовет т. наз. обращенное (направленное вверх) течение пленки конденсата.
При конденсации движущегося пара внутри трубы (канала) режимы течения и характер взаимодействия паровой и жидкой фаз могут значительно изменяться в результате изменения по мере образования конденсата скорости пара, касательного напряжения трения на межфазной поверхности и Reпл. При больших скоростях пара (когда действие силы тяжести на пленку конденсата пренебрежимо мало и течение ее определяется в осн. силой трения) местные и средние по длине трубы коэф. теплоотдачи не зависят от пространств. ориентации трубы. Если силы тяжести и трения соизмеримы, условия конденсация определяются углом наклона трубы и взаимным направлением движения фаз. В случае конденсация внутри горизонтальной трубы и малой скорости пара кольцевая пленка конденсата образуется только на верх, части внутренней поверхности трубы. На ниж. части возникает "ручей", в зоне которого в результате относительно большой толщины слоя жидкости теплоотдача значительно менее интенсивна, чем на остальном участке поверхности.
В случае конденсации на пучке горизонтальных труб расход стекающего конденсата увеличивается сверху вниз вследствие натекания конденсата с вышележащих труб на нижележащие, а расход пара по пути его движения снижается. В пучке с постоянным или относительно немного уменьшающимся по высоте живым сечением между трубами скорость нисходящего потока пара постепенно снижается, а конденсат натекает с верх, труб на нижние. Вначале это приводит к уменьшению местных коэффициента теплоотдачи (осредненных по периметру труб) при увеличении отсчитываемого сверху номера горизонтального ряда труб. Однако, начиная с некоторого ряда, в результате натекания конденсата течение пленки возмущается и ее термическое сопротивление снижается. Благодаря этому коэффициенты теплоотдачи могут стабилизироваться, а при возрастающем воздействии возмущения течения пленки на ниж. трубках - увеличиваться с возрастанием номера ряда.
Интенсификация теплоотдачи при пленочной конденсации может достигаться профилированием ее поверхности (напр., применением т, наз. мелковолнистой поверхности), которое способствует уменьшению средней толщины пленки конденсата, созданием на поверхности искусств, шероховатости, приводящей к турбулизации пленки, воздействием на нее при диэлектрической жидкой фазе (напр., при конденсация хладонов) электростатическим полем, отсосом конденсата через пористую поверхность и др. При конденсации паров жидких металлов теплопроводность жидкой фазы весьма высока. Поэтому доля термич. сопротивления пленки конденсата в суммарном сопротивлении передаче тепла незначительна, и определяющим оказывается межфазное термич. сопротивление, обусловленное молекулярно-кинетич. эффектами на границе раздела фаз. Иногда пленочная конденсация на поверхности сопровождается гомогенная конденсация в прилегающем к поверхности раздела фаз слое пара. Если образование тумана при этом нежелательно (напр., в производстве H2SO4 нитрозным способом или при улавливании летучих растворителей), процесс проводят при максимальном пересыщении пара ниже Пкр.
При капельной конденсация первичные мелкие капли, образовавшиеся на сухой вертикальной или наклонной поверхности, растут в результате продолжения процесса, слияния близко расположенных и касающихся друг друга капель и подтягивания к ним возникающей между каплями и быстро разрывающейся тонкой пленки конденсата. Капли, достигшие "отрывного" диаметра, стекают вниз, объединяясь (коалесцируя) с нижележащими мелкими каплями, после чего на освободившейся поверхности опять образуются мелкие капли, и цикл повторяется. Условия, определяющие самопроизвольное возникновение капельной конденсация, наблюдаются редко. Обычно же для осуществления капельной конденсация на твердую поверхность наносят тонкий слой лиофобизатора - вещества, обладающего низким поверхностным натяжением и несмачиваемого конденсатом (напр., жиры, воски). В случае капельной конденсация коэффициент теплоотдачи намного выше (в 5-10 раз и более), чем при пленочной. Однако поддержание в условиях эксплуатации промышленных аппаратов устойчивой капельной конденсация затруднительно. Поэтому конденсац. устройства хим. промышленности, как правило, работают в режиме пленочной конденсация
Конденсация пара на поверхности жидкости того же вещества происходит в технол. аппаратах на поверхности подаваемых в объем пара диспергированных (напр., с помощью распылит, форсунок) струй или стекающих по насадке тонких пленок жидкости. Диспергирование или распределение жидкости на тонкие пленки позволяет сильно развить поверхность контакта фаз. В ряде случаев конденсация наблюдается при поступлении пара в объем жидкости в виде струй или пузырьков (барботаж), а также при образовании паровых пузырьков в объеме жидкости, например при кавитации.
Конденсация пара из смеси его с неконденсирующимися газами (или неконденсирующимися при данной температуре парами) на поверхности твердого тела или жидкости менее интенсивна по сравнению с конденсация чистого пара. Поскольку при конденсация из парогазовой смеси температура и парциальное давление (концентрация) пара в ее осн. массе выше, чем на твердой поверхности, в прилегающем к последней слое смеси (при движении смеси - в пограничном слое) происходит совместный тепло- и массообмен. Если пар неподвижен, даже незначит. содержание в нем газа приводит к резкому снижению интенсивности конденсация По мере увеличения скорости (числа Рейнольдса Reсм) парогазовой смеси влияние газа на интенсивность процесса постепенно ослабляется.
При конденсации паров из многокомпонентных смесей (паровых или парогазовых) в газовой фазе также происходят взаимосвязанные тепло- и массоперенос. При этом эффективный коэф. теплопроводности смеси и эффективные коэф. диффузии ее отдельных компонентов определяются природой и концентрациями др. компонентов. В случае гомог. смеси конденсатов на поверхности твердого тела происходит только пленочная конденсация, в случае гетерогенной - смешанная. Напр., при конденсация бинарной смеси водяного пара и орг. вещества на твердой поверхности образуется жидкая пленка этого вещества, покрывающаяся каплями влаги.
