Том 337 № 2 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/2/5073
Тепломассообмен при конденсации на вертикальной трубе, помещенной в зернистый слой микропористой структуры
Актуальность. Исследование продиктовано необходимостью разработки инновационных подходов к регулированию процессов конденсации. Предложенная двухслойная аналитическая модель описывает тепломассообмен на вертикальной трубе в микропористой среде, выступая инструментом для повышения эффективности фазового перехода и теплоотвода с учетом физических параметров системы. Цель. Установление адекватности построенной модели с помощью сравнения результатов расчетов на ее основе с результатами расчетов по более сложной трехслойной модели других авторов. Методы. Математическое моделирование на основе процесса тепломассообмена по двухслойной схеме – пленка жидкости конденсата на поверхности трубы и микропористая среда с насыщенным паром. Результаты и выводы. Исследование охватывает два типа сред, различающихся по степени смачиваемости: гидрофильную и гидрофобную. Установлено, что для гидрофильной среды капиллярные эффекты вызывают «отсос» конденсата от стенки трубы в парогазовую среду. В случае отсутствия влияния капиллярных эффектов получено критериальное соотношение теплообмена, а также уравнение для толщины плёнки конденсата вблизи стенки трубы, дающее результат, хорошо согласующийся с известным расчётом по трехслойной модели в соответственных условиях для горизонтально расположенной полутрубы, помещённой в микропористый слой. Показано, что в условиях капиллярных эффектов результаты расчетов по предложенной двухслойной модели демонстрируют хорошую сходимость с данными, полученными с помощью более сложной трехслойной модели. Для гидрофобной среды характерна повышенная скорость стекания конденсата по стенке трубы, что приводит к значительному (почти на два порядка) уменьшению толщины пленки по сравнению с гидрофильной средой. Такое утончение пленки существенно интенсифицирует теплообмен.
Ключевые слова:
теплообмен при конденсации, вертикальная труба, микропористая среда, капиллярные эффекты, гидрофобная среда, гидрофильная среда, пленка конденсата
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Analytical investigation into effects of capillary force on condensate film flowing over horizontal semicircular tube in porous medium / T.-B. Chang, B.-H. Shiue, Y.-B. Ciou, W.-I. Lo // Mathematical Problems in Engineering. – 2021. DOI: 10.1155/2021/6693512.
2. Udell K.S. Heat transfer in porous media heated from above with evaporation, condensation, and capillary effects // Journal of Heat Transfer. – 1983. – Vol. 105. – № 3. – P. 485–492.
3. Udell K.S. Heat transfer in porous media considering phase change and capillary – the heat pipe effect // Journal of Heat Mass Transfer. – 1985. – Vol. 28. – № 2. – P. 485–495.
4. Шиляев М.И., Хромова Е.М., Богомолов А.Р. Интенсификация тепломассообмена в дисперсных средах при конденсации и испарении. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2010. – 272 с.
5. Shilyaev M.I., Khromova H.M., Bogomolov A.R. Heat transfer during condensation of liquid vapor on horizontal circular tube in hydrophobic granular layer // Journal of Engineering Thermophysics. – 2024. – Vol. 33. – № 4. – Р. 840–851. DOI: 10.1134/S1810232824040143
6. Bogomolov A.R., Petrik P.T., Azikhanov S.S. A study of heat transfer during steam condensation on a horizontal tube placed in granular material made of particles with different wettability of surface // Thermal Engineering. – 2009. – Vol. 56. – № 7. – Р. 560–565.
7. DEM analysis of heat generation and transfer during granular flow in a rotating drum / J. Hu, R.L. Rangel, F. Kisuka, S. Yin, C.-Y. Wu // Chemical Engineering Journal. – 2024. – Vol. 499. – P. 155945. DOI: 10.1016/j.cej.2024.155945.
8. Fluid flow and heat transfer in microchannel heat sinks: modeling review and recent progress / J. Gao, Z. Hu, Q. Yang, X. Liang, H. Wu // Thermal Science and Engineering Progress. – 2022. – Vol. 29. – P. 101203. DOI: 10.1016/j.tsep.2022.101203
9. Busedra A.A., Soliman H.M. Experimental Investigation of laminar mixed convection in an inclined semicircular duct under buoyancy assisted and opposed conditions // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2000. – Vol. 43. – № 7. – Р. 1103–1111.
10. Nada S.A., Mowad M. Fee convection from a vertical and inclined semicircular cylinder at different orientations // Alexandria Engineering Journal. – 2003. – Vol. 42. – № 3. – Р. 273–282.
11. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. – Л.: Химия, 1979. – 176 с.
12. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. – Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1984. – 163 с.
13. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. – М.: Стройиздат, 1983. – 319 с.
14. Шиляев М.И., Толстых А.В. Гидродинамика и тепломассообмен пленочных течений в полях массовых сил и их приложения. – М.: ИНФРА-М, 2014. – 198 с.
15. Рамм В.М. Абсорбция газов. – М.: Изд-во «Химия», 1976. – 656 с.
16. Шиляев М.И., Хромова Е.М., Богомолов А.Р. Моделирование гидродинамики и тепломассообмена в дисперсных средах. – М.: Изд-во «ИНФРА-М», 2022. – 249 с.
17. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI Гидродинамика. 4-е изд. – М.: Наука, 1988. – 736 с.
18. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. Для инженеров и студентов вузов. изд. 7-е, испр. – М.: Изд-во «Наука», 1979. – 944 с.
19. Отопление и вентиляция. Ч. 2. Вентиляция / В.Н. Богословский, В.И. Новожилов, Б.Д. Симаков, В.Н. Титов / под ред. В.Н. Богословского. – М.: Стройиздат, 1976. – 439 с.
20. Hydrophobic copper nanowires for enhancing condensation heat transfer / R. Wen, Q. Li, J. Wu et. al. // Nano Energy. – 2017. – Vol. 33. – P. 174–183.
REFERENCES
1. Chang T.-B., Shiue B.-H., Ciou Y.-B., Lo W.-I. Analytical investigation into the effects of capillary force on condensate film flowing over horizontal semicircular tube in porous medium. Mathematical Problems in Engineering, 2021. DOI: 10.1155/2021/6693512.
2. Udell K.S. Heat transfer in porous media heated from above with evaporation, condensation, and capillary effects. Journal of Heat Transfer, 1983, vol. 105, no. 3, рр. 485–492.
3. Udell K.S. Heat transfer in porous media considering phase change and capillary – the heat pipe effect. Journal of Heat Mass Transfer, 1985, vol. 28, no. 2, рр. 485–495.
4. Shilyaev M.I., Khromova E.M., Bogomolov A.R. Intensification of heat and mass transfer in dispersed media during condensation and evaporation. Tomsk, TSUAB Publ., 2010. 272 p. (In Russ.)
5. Shilyaev M.I., Khromova H.M., Bogomolov A.R. Heat transfer during condensation of liquid vapor on horizontal circular tube in hydrophobic granular layer. Journal of Engineering Thermophysics, 2024, vol. 33, no. 4, рр. 840–851. DOI: 10.1134/S1810232824040143
6. Bogomolov A.R., Petrik P.T., Azikhanov S.S. A study of heat transfer during steam condensation on a horizontal tube placed in granular material made of particles with different wettability of surface. Thermal Engineering, 2009, vol. 56, no. 7, рр. 560–565. (In Russ.)
7. Hu J., Rangel R.L., Kisuka F., Yin S., Wu C.-Y. DEM analysis of heat generation and transfer during granular flow in a rotating drum. Chemical Engineering Journal, 2024, vol. 499, рр. 155945. DOI: 10.1016/j.cej.2024.155945
8. Gao J., Hu Z., Yang Q., Liang X., Wu H. Fluid flow and heat transfer in microchannel heat sinks: Modeling review and recent progress. Thermal Science and Engineering Progress, 2022, vol. 29, рр. 101203. DOI: 10.1016/j.tsep.2022.101203
9. Busedra A.A., Soliman H.M. Experimental investigation of laminar mixed convection in an inclined semicircular duct under buoyancy assisted and opposed conditions. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, vol. 43, no. 7, рр. 1103–1111.
10. Nada S.A., Mowad M. Fee convection from a vertical and inclined semicircular cylinder at different orientations, Alexandria Engineering Journal, 2003, vol. 42, no. 3, рр. 273–282.
11. Aerov M.E., Todes O.M., Narinsky D.A. Stationary granular bed devices. Leningrad, Khimiya Publ., 1979. 176 p. (In Russ.)
12. Goldshtik M.A. Transfer processes in the granular layer. Novosibirsk, Institute of Thermophysics SB RAS USSR Publ., 1984. 163 p. (In Russ.)
13. Bogoslovsky V.N., Poz M.Ya. Thermal physics of heat recovery devices for heating, ventilation and air conditioning system. Moscow, Stroyizdat Publ., 1983. 319 p. (In Russ.)
14. Shilyaev M.I., Tolstykh A.V. Hydrodynamics and heat and mass transfer of film flows in mass force fields and their applications. Moscow, INFRA-M Publ., 2014. 198 p. (In Russ.)
15. Ramm V.M. Gas absorption. Moscow, Khimiya Publ., 1976. 656 p. (In Russ.)
16. Shilyaev M.I., Khromova E.M., Bogomolov A.R. Modeling of hydrodynamics and heat and mass transfer in dispersed media. Moscow, INFRA-M Publ., 2022. 249 p. (In Russ.)
17. Landau L.D., Lifshitz E.M. Theoretical physics. Vol. VI Hydrodynamics. 4th ed. Moscow, Nauka Publ., 1988. 736 p. (In Russ.)
18. Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Handbook of physics. For engineers and university students. 7th ed., corrected. Moscow, Nauka Publ., 1979. 944 p. (In Russ.)
19. Bogoslovsky V.N., Novozhilov V.I., Simakov B.D., Titov V.N. Heating and ventilation. P. 2. Ventilation. Moscow, Stroyizdat Publ., 1976. 439 p. (In Russ.)
20. Wen R., Li Q., Wu J. Hydrophobic copper nanowires for enhancing condensation heat transfer. Nano Energy, 2017, vol. 33, pp. 174–183.
