В системах, включающих передачу тепла , конденсатор представляет собой теплообменник , используемый для конденсации газообразного вещества в жидкое состояние посредством охлаждения. При этом скрытая теплота 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 различные размеры, от довольно маленьких (ручные) до очень больших (промышленные установки, используемые в производственных процессах). Например, холодильник использует конденсатор для отвода тепла, извлекаемого из внутренней части устройства, во внешний 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 является обычным явлением во многих конденсаторах. [1]
Самый ранний лабораторный конденсатор, « Gegenstromkühler » (противоточный конденсатор), был изобретен в 1771 году шведско-немецким химиком Кристианом Вайгелем . [2] К середине 19-го века немецкий химик Юстус фон Либих представил свои собственные усовершенствования предыдущих конструкций Вайгеля и Иоганна Фридриха Августа Гёттлинга , и устройство стало известно как конденсатор Либиха . [3]
Конденсатор предназначен для передачи тепла от рабочей жидкости (например, воды в паровой электростанции) к вторичной жидкости или окружающему воздуху. Конденсатор полагается на эффективную теплопередачу, 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 пара он достигает температуры насыщения , конденсируется в жидкость и выделяет большое количество скрытой теплоты . Поскольку этот процесс происходит вдоль конденсатора, количество пара уменьшается, а количество жидкости увеличивается; на выходе из конденсатора остается только жидкость. Некоторые конструкции конденсатора содержат дополнительную длину для переохлаждения этой конденсированной жидкости ниже температуры насыщения. [4]
Существует бесчисленное множество вариаций конструкции конденсатора, с переменными конструкции, включая рабочую жидкость, вторичную жидкость, геометрию и материал. Обычные вторичные жидкости включают воду, воздух, хладагенты или материалы с изменяющейся фазой .
Конденсаторы имеют два существенных конструктивных преимущества по сравнению с другими технологиями охлаждения:
Поверхностный конденсатор — это тот, в котором конденсирующая среда и пары физически разделены и используются, когда прямой контакт нежелателен. Это кожухотрубчатый теплообменник, установленный на выходе каждой паровой турбины на тепловых электростанциях . Обычно охлаждающая вода протекает через трубную сторону, а пар поступает в межтрубное пространство, где конденсация происходит на внешней стороне теплопередающих трубок. Конденсат капает вниз и собирается внизу, часто во встроенном поддоне, называемом конденсатоотводчиком . Межтрубное пространство часто работает в условиях вакуума или частичного вакуума, создаваемого разницей в удельном объеме между паром и конденсатом. И наоборот, пар может подаваться через трубы с охлаждающей водой или воздухом, текущими снаружи.
В химии конденсатор — это аппарат, охлаждающий горячие пары , заставляя их конденсироваться в жидкость . Примерами служат 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 элиминирования.
В лабораторных дистилляционных , обратных и роторных испарителях обычно используются несколько типов конденсаторов. Конденсатор Либиха представляет собой просто прямую трубку в охлаждающей водяной рубашке и является самой простой (и относительно недорогой) формой конденсатора. Конденсатор Грэхема представляет собой спиральную трубку в водяной рубашке, а конденсатор Аллина имеет ряд больших и малых сужений на внутренней трубке, каждое из которых увеличивает площадь поверхности, на которой могут конденсироваться компоненты пара. Будучи более сложными в производстве, эти последние типы также более дороги в покупке. Эти три типа конденсаторов являются предметами лабораторной стеклянной посуды, поскольку они, как правило, сделаны из стекла. Коммерчески доступные конденсаторы обычно снабжены шлифованными стеклянными соединениями и имеют стандартную длину 100, 200 и 400 мм. Воздушные конденсаторы не имеют рубашки, в то время как конденсаторы с водяным охлаждением содержат рубашку для воды.
Более крупные конденсаторы также используются в промышленных масштабах процессов дистилляции для охлаждения дистиллированного пара в жидкий дистиллят. Обычно хладагент протекает через трубную сторону, а дистиллированный пар — через кожух, при этом дистиллят собирается или вытекает из нижней части.
Конденсаторный блок, используемый в центральных системах кондиционирования воздуха, обычно имеет секцию теплообменника для охлаждения и конденсации входящего пара хладагента в жидкость, компрессор для повышения давления хладагента и его перемещения, а также вентилятор для продувки наружного воздуха через секцию теплообменника для охлаждения хладагента внутри. Типичная конфигурация такого конденсаторного блока выглядит следующим образом: секция теплообменника охватывает стороны блока с компрессором внутри. В этой секции теплообменника хладагент проходит через несколько трубных проходов, которые окружены ребрами теплопередачи, через которые охлаждающий воздух может циркулировать снаружи внутрь блока. Это также увеличивает площадь поверхности. Внутри конденсаторного блока около верхней части находится моторизованный вентилятор , который закрыт решеткой, чтобы предотвратить случайное падение предметов внутрь вентилятора. Вентилятор используется для втягивания наружного охлаждающего воздуха через секцию теплообменника по бокам и выдувания его сверху через решетку. Эти конденсаторные блоки расположены снаружи здания, которое они пытаются охладить, с трубками между блоком и зданием, одна для входа парообразного хладагента, а другая для выхода жидкого хладагента из блока. Конечно, для компрессора и вентилятора внутри блока необходим источник электропитания .
В конденсаторе прямого контакта горячий пар и холодная жидкость вводятся в сосуд и смешиваются напрямую, а не разделяются барьером, например стенкой трубки теплообменника. Пар отдает свое скрытое тепло и конденсируется в жидкость, в то время как жидкость поглощает это тепло и подвергается повышению температуры. Входящие пар и жидкость обычно содержат одно конденсируемое вещество, например распыляемую воду, используемую для охлаждения воздуха и регулирования его влажности.
Для идеального однопроходного конденсатора, хладагент которого имеет постоянную плотность, постоянную теплоемкость, линейную энтальпию во всем диапазоне температур, идеальную поперечную теплопередачу и нулевую продольную теплопередачу, а трубки имеют постоянный периметр, постоянную толщину и постоянную теплопроводность, а конденсируемая жидкость идеально перемешана и имеет постоянную температуру, температура хладагента изменяется вдоль трубки в соответствии с:
где:
