Condensation heat transfer in the presence of noncondensables, interfacial resistance, superheating, variable properties, and diffusion

https://doi.org/10.1016/0017-9310(66)90035-4Get rights and content

Abstract

A wide-ranging analytical investigation of laminar film condensation is presented. The situation under study is an isothermal vertical plate with steam as the condensing vapor and air as the noncondensable gas. In addition to the noncondensable gas, the analytical model includes interfacial resistance, superheating, free convection due to both temperature and concentration gradients, mass diffusion and thermal diffusion, and variable properties in both the liquid and the gas-vapor regions. Heat-transfer results are obtained for a wide range of parameters including bulk concentration of the noncondensable gas, system pressure level, wall-to-bulk temperature difference, and degree of superheating. It is demonstrated that small bulk concentrations of the noncondensable gas can have a decisive effect on the heat-transfer rate. For instance, for a bulk mass fraction of air equal to 0.5 per cent, reductions in heat transfer of 50 per cent or more are sustained. The influence of the noncondensable gas is accentuated at lower pressure levels. It is shown that the aforementioned reductions in heat transfer are due entirely to the diffusional resistance of the gas-vapor boundary layer. The interfacial resistance is shown to be a second order effect. A similar finding applies to thermal diffusion and diffusion thermo. The effect of superheating, which is very small in the case of a pure vapor, becomes much more significant in the presence of a noncondensable gas. A reference temperature rule is deduced for extending the Nusselt model to variable-property conditions.

Zusammenfassung

Eine eingehende analytische Untersuchung der laminaren Filmkondensation wird vorgelegt. Untersucht wird eine isotherme senkrechte Platte mit Wasserdampf als kondensierendes Medium und Luft als Inertgas. Neben dem Inertgas schliesst das analytische Modell den Übergangswiderstand, die Überhitzung, die freie Konvektion und die Diffusion infolge von Temperatur- und Konzentrationsgradienten und die veränderlichen Eigenschaften sowohl im Flüssigkeits- als auch im Gas-Dampf-Bereich mit ein. Ergebnisse für den Wärmeübergang werden für einen weiten Umfang von Parametern erhalten, nämlich die Massenkonzentration des Inertgases, die Höhe des Systemdruckes, die Temperatur-differenz zwischen Kühlfläche une Dampfraum und den Grad der Überhitzung. Es wird gezeigt, dass eine geringe Massenkonzentration an Inertgas eine entsheidende Wirkung auf den Wärmeübergang haben kann. Zum Beispiel wird für einen Massenanteil von 0,5 Prozent an Luft der Wärmeübergang um 50 Prozent oder mehr vermindert. Der Einfluss des Inertgases tritt bei niedrigen Drucken noch stärker hervor. Es zeigt sich, dass die zuvor erwähnte Herabsetzung des Wärmeübergangs vollkommen vom Diffusionswiderstand der Gas-Dampf-Grenzschicht verursacht wird. Der Übergangswiderstand ist, wie gezeigt wird, ein Effekt 2. Ordnung. Ähnliche Ergebnisse rühren vom Thermodiffusions- und vom Diffusionsthermoeffekt her. Der Einfluss der Überhitzung, der sehr gering für einen reinen Dampf ist, wird bei Vorhandense in eines nichtkondensierbaren Gases sehr viel bedeutsamer. Eine Regel für die Bezugstemperatur wird abgeleitet, um das Nusselt-Modell auf Bedingungen mit veränderlichen Eigenschaften zu erweitern.

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    Present address: Department of Energy Engineering, University of Illinois at Chicago Circle, Chicago, Illinois 60680.

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