Авторы

Моделирование пленочной конденсации методом объемных долей: оптимизация теплообмена в компактных каналах

DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-1-74-81
УДК 621.43.016

Моделирование пленочной конденсации методом объемных долей: оптимизация теплообмена в компактных каналах

Алхатиб Д. ., Люлин Ю. В.

Ссылка для цитирования: Алхатиб Д., Люлин Ю.В. Моделирование пленочной конденсации методом объемных долей: оптимизация теплообмена в компактных каналах. 2026. № 1. С. 74-81. DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-1-74-81. [Alkhateeb D., Lyulin Yu.V. Modelling film condensation using the volume fraction method: optimising heat transfer in compact channels. Journal of International Academy of Refrigeration. 2026. No 1. p. 74-81. DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-1-74-81. (in Russian)]

Аннотация
Пленочная конденсация в мини- и микроканалах является ключевым процессом в современных компактных и высокоэффективных системах теплопередачи. В данной работе проведено численное исследование влияния температурного напора ΔT, состава пара x, углов наклона и поворота канала, а также аспектного отношения (AR) на локальную толщину конденсатной пленки δ, коэффициент теплоотдачи (HTC) и гидравлические потери Δp. Результаты показали, что влияние ΔT на δ не является линейным: при малых ΔT пленка остаётся тонкой из-за слабой интенсивности конденсации, тогда как при увеличении ΔT формируется более толстая пленка. Оптимальные значения ΔT≈ 10 K обеспечивают минимальную толщину пленки δ≈ 18–22 мкм и максимальный HTC до 13800 Вт/(м²·К). Значения углов наклона 30-45° позволяют достичь баланса между поддержанием оптимальной толщины пленки и допустимым гидравлическим сопротивлением. Аспектное отношение канала AR= 2.0 демонстрирует наилучшую эффективность теплоотдачи при умеренных потерях давления. Новизна работы заключается в количественной оценке комплексного влияния геометрии и эксплуатационных параметров, что позволяет использовать результаты для оптимизации проектирования мини- и микроканальных теплообменников.

Ключевые слова: пленочная конденсация; мини-каналы; VOF-моделирование; геометрия каналов; толщина пленки; теплоотдача.

Список литературы

1. YankovG., etal. Numerical simulation of the condensation of R-113 in an inclined tube using the VOF method. E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 459.

2. Cai J.Y., et al. Numerical study on the condensation characteristics of vapor with non-condensable gas on inclined walls inside containment. Annals of Nuclear Energy. 2024. Vol. 204. P. 110562. DOI: 10.1016/j.anucene.2024.110562

3. Liu Y., et al. Numerical investigation on the condensation of R134a, R1234ze (E) and R450A in mini-channels. International Journal of Refrigeration. 2021. Vol. 130. P. 305-316. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2021.04.017

4. Riley G.A., et al. Visualizing and disrupting liquid films for filmwise flow condensation in horizontal minichannels. Frontiers in Thermal Engineering. 2022. Vol. 2. P. 953051. DOI: 10.3389/fther.2022.953051

5. Keniar K., Garimella S. Experimental investigation of refrigerant condensation in circular and square micro- and mini-channels. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 176 (4). P. 121383. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121383

6. Sikora M., Bohdal T. Modelling the condensation process of low-pressure refrigerants in mini-channels. Materials. 2022. Vol. 15, no 13. P. 4646. DOI: 10.3390/ma15134646

7. Vaishnavi G.N.V. Sudeepta, Ramarajan J., Jayavel S. Numerical studies of bubble formation dynamics in gas-liquid interaction using Volume of Fluid (VOF) method. Thermal Science and Engineering Progress. 2023. Vol. 39. P. 101718. DOI: 10.1016/j.tsep.2023.101718

8. Mostafa I., et al. An experimental study of the inundation effect on filmwise condensation heat transfer over horizontal smooth and enhanced tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 206. P. 123950. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.123950

9. Thomas T.M., et al. Preferred mode of atmospheric water vapor condensation on nanoengineered surfaces: Dropwise or filmwise? Langmuir. 2023. Vol. 39, No. 15. P. 5396-5407. DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c00022

10. Mohamed M.A., et al. Experimental study for enhancing condensation on large-scale surface using hybrid hydrophilic-hydrophobic patterns. Case Stud. Therm. Eng. 2023. Vol. 45. P. 102984. DOI: 10.1016/j.csite.2023.102984

11. Tancon M., et al. Dropwise-to-filmwise transition during condensation of steam on hydrophilic surfaces. Appl. Therm. Eng. 2025. Vol. 278. P. 127128. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.127128

12. Han T., et al. Sustainable thin-film condensation with free surface flow through water film network. Int. J. Heat Mass Transfer. 2022. Vol. 196. P. 123222. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123222

13. Wang T., Tong L., Cao X. A universal correlation development for film-wise condensation in the presence of non-condensable gases on vertical walls under turbulent free convection. Ann. Nucl. Energy. 2023. Vol. 187. P. 109789. DOI: 10.1016/j.anucene.2023.109789

14. Liu W., et al. Numerical Investigation of the Effect of Surface Wettability and Rotation on Condensation Heat Transfer in a Sludge Dryer Vertical Paddle. Energies. 2023. Vol. 16, No.2. P. 901. DOI: 10.3390/en16020901

15. Bhanawat A., et al. Effect of surface inclination on filmwise condensation heat transfer during flow of steam–air mixtures. Journal of Thermal Science and Engineering Applications. 2020. Vol. 12, No. 4. DOI: 10.1115/1.4046867

16. Zhang Y., Qu M., Zhang X. Investigation of filmwise condensation and flow characteristics on inner curved heat transfer surface. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2023. Vol. 149, No. 18. P. 10265-10275. DOI: 10.1007/s10973-023-12533-2

17. Liu J., Cao X., Yang P. Experimental Study of the Effect of Inclination Angle on the Heat Transfer Characteristics of Steam Condensation in the Vertical Tube. International Conference on Nuclear Engineering. 2024. Vol. 88261.

18. Chen K., et al. Theoretical analysis of condensation heat transfer enhancement on dot-matrix hydrophilic-hydrophobic composite surfaces: Hydrophobic shapes and surface inclination effect. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2025. Vol. 169. P. 109568.

Читать статью полностью