Ngưng hơi là quá trình quá độ biến trạng thái hơi thành trạng thái lỏng, quá trình này gắn liền với việc biến đổi pha. Quá trình ngưng hơi chỉ cơ thể xẩy ra khi hơi ở trạng thái dưới giới hạn do làm lạnh hoặc nén. Nếu quá trình ngưng hơi 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 xẩy 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 cơ thể xẩy ra trên bề mặt vật được làm lạnh. Thực tế là chúng ta thường gặp là quá trình hơi ngưng thành trạng thái lỏng trên bề mặt vật rắn, ví dụ quá trình ngưng hơi trong các bình ngưng của
HV: TRẦN XUÂN AN_12824802 52 tuabin nhà máy nhiệt điện, ngưng hơi lãnh chất trong thiết bị lạnh, hiện tượng đọng sương, hiện tượng ngưng một số hóa chất trong các thiết bị nhà máy hóa chất…Sau đây chúng ta sẽ khảo sát cơ cấu chủ yếu của quá trình đó.
Muốn xẩy ra quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có hai điều kiện:
Rút nhiệt từ hơi ngưng (ẩn nhiệt hóa hơi r) qua bề mặt vật rắn, muốn vậy nhiệt độ bề mặt vật rắn Tw phải thấp hơn nhiệt độ bão hòa của hơi ở áp suất tương ứng.
Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ ví dụ như hạt bụi, những bọt khí hoặc do chính độ nhô nhám của bề mặt.
Tùy thuộc vào trạng thái của bề mặt làm lạnh và tính dính ướt của chất lỏng mà có thể xẩy ra hai loại quá trình ngưng:
Ngưng thành màng chất lỏng, còn gọi là ngưng màng
Ngưng thành giọt chất lỏng, còn gọi là ngưng giọt [3]
Hình 3.2: Kết cấu tấm phẳng ngưng màng và ngưng giọt
Đối với chất lỏng dính ướt bề mặt (𝛾 < 𝜋/2) thường xẩy ra các hiện tượng ngưng màng vì các giọt chất lỏng thường có chân rộng, dễ liên kết với nhau thành một màng chất lỏng bám trên bề mặt và chảy xuống dưới do tác dụng của lực trọng trường.
Đối với bề mặt chất lỏng không dính ướt bề mặt (𝛾 > 𝜋/2) thường xảy ra hiện tượng ngưng giọt.
HV: TRẦN XUÂN AN_12824802 53 Hình 3.3: Giọt chất lỏng tạo thành của chất lỏng dính ướt và không dính ướt bề mặt
Màng nước ngưng ngăn cản việc tiếp xúc trực tiếp của pha hơi đối với bề mặt vật rắn để nhả ẩn nhiệt hóa hơi cho vách nên cường độ tỏa nhiệt khi ngưng màng thấp hơn khi ngưng giọt từ 10 đến 15 lần.
Ví dụ hệ số tỏa nhiệt khi ngưng màng của hơi nước ở áp suất khí trời có trị số khoảng 7000->12000 W/m2độ, còn khi ngưng giọt khoảng 50.000 -> 120.000 W/m2độ Đối với thiết bị Carocell bề mặt màng ngưng được thiết kế là tấm nhựa plastic phẳng trong suốt có bề mặt nhẵn, hơi nước ngưng tụ và tạo thành màng nước chảy trên mặt phẳng nghiêng.
Ngƣng hơi thuần khiết:
Nghĩa là hơi ngưng tụ không tồn tại khí không ngưng, quá trình thường xẩy ra trong thiết bị như ngưng hơi lãnh chất trong bình ngưng hoặc ngưng hơi nước trong một số thiết bị khác ở điều kiện áp suất lớn hơn áp suất khí trời.
Hơi nước trước tiên nhả ẩn nhiệt hóa hơi cho bề mặt lạnh để ngưng tụ thành lỏng, màng nước ngưng hình thành trên bề mặt vách lạnh và theo lực trọng trường chảy xuống. Hơi tiếp theo muốn ngưng tụ phải được dẫn nhiệt qua màng nước ngưng rồi mới truyền nhiệt cho vách lạnh. Do đó nhiệt trở của màng nước ngưng là nhiệt trở chủ yếu trong quá trình ngưng tụ hơi, tùy theo chiều dày màng nước ngưng mà nhiệt trở khác nhau.
Ví dụ quá trình ngưng hơi trên vách ngoài của ống có chiều dài L và đường kính d, nếu vách đặt thẳng đứng thì chiều dài màng nước ngưng sẽ lớn hơn ống đặt
HV: TRẦN XUÂN AN_12824802 54 nằm ngang, vì vậy ống đặt nằm ngang có cường độ tỏa nhiệt lớn hơn ống đặt thẳng đứng.
Do đó, trong thiết bị chưng cất nước ứng dụng phương thức bốc hơi và ngưng tụ dạng màng mỏng sẽ có hiệu quả tốt hơn.
Ngƣng hơi không thuần khiết:
Khi ngưng hơi trong điều kiện thấp hơn áp suất khí trời hoặc đối với các thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời thì không thể tránh khỏi không khí lọt vào trong hệ thống hoặc do quá trình phản ứng hóa học giải phóng ra một số khí không ngưng.
Từ định luật Dalton, ta có:
p0 = pkk + pv
pkk: Áp suất riêng phần không khí khô pv: Áp suất riêng phần của hơi nước p0: Áp suất của hỗn hợp
Ở vùng gần bề mặt màng nước ngưng, áp suất pv giảm xuống do hơi bị ngưng còn pkk tăng lên do khí này không ngưng tụ, vì vậy sẽ tạo một màng không khí mỏng ngoài lớp nước ngưng cản trở sự khuếch tán của các phân tử hơi tiếp xúc với màng nước tạo nên thêm một nhiệt trở phụ, ảnh hưởng này không nhỏ. Để khắc phục nhược điểm này trong các thiết bị ngưng hơi người ta bố trí thiết bị hút khí không ngưng, có thể dùng ejector hoặc bơm chân không.[4]