混合蒸气是指含有两种(或几种)有效组分物质的蒸气,或虽属非有效组分但其含量超过规定限量的物质蒸气。通常根据是否含不凝性气体分为两大类:含不凝性气体的混合蒸气凝结和多种可凝性混合蒸气的凝结。混合蒸气凝结广泛存在于化工、动力循环过程、制冷、空调技术、地热、太阳能利用、海洋温差发电、低温余热利用等过程中。
含不凝性气体的混合蒸气凝结是指在混合蒸气中含有一种及以上的气体无法发生凝结(或远离其露点温度)。混合蒸气中的不凝气体恶化了混合蒸气的凝结。不凝性气体存在时,随可凝蒸气的凝结,混合蒸气从主流区对流运动到凝结液膜附近,不凝性气体不能穿过液膜,不断聚集在液膜表面,逐渐发展到不凝性气体的浓度梯度达到不凝性气体从气液界面扩散到主流区的质量流量与主流区向气液界面扩散的质量流量,实现不凝气体扩散的平衡。气液界面处不凝性气体浓度升高,导致可凝蒸汽分压力降低,对应的饱和温度随之降低,则液膜表面与冷壁面的温差减小,即热驱动力减小,进而导致凝结换热效率下降。蒸汽中含有极少量的不凝性气体,也能导致凝结换热效率急剧下降。
含有不凝气体的混合蒸气凝结可以按照纯物质蒸气凝结理论计算,然后根据实验修正;也可以按照双膜理论等理论方法分析计算。
可凝性混合蒸气的凝结通常根据混合气体组分中各组分气体沸点特点分为共沸混合物质蒸气的凝结、近共沸混合物质蒸气的凝结、非共沸混合物质蒸气的凝结。
共沸混合物质蒸气是两种(或几种)气体形成的具有恒沸点的混合物蒸气,在相变过程中温度保持恒定,在平衡状态下气相和液相组成完全相同。共沸混合物质蒸气的凝结与纯物质蒸气凝结相似,主要用于制冷系统中,共沸混合物制冷工质可以改善制冷剂的特性,呈现单一制冷工质的特性,起单一制冷工质的作用。
非共沸混合物质蒸气通常指由两种(或几种)沸点不同的物质按一定比例混合而成,其混合组分没有共沸点。非共沸混合物质温度滑移较小时(泡、露点温度差小于3℃的混合物质)称为近共沸混合物质,近共沸物质气、液相组分含量相差较小,一般也可以按照纯物质蒸气凝结处理。
非共沸混合物质一般指温度滑移较大的混合物质,具有定压相变过程的温度滑移和组分迁移的特性。在一定压力下凝结为非等温过程,凝结温度会发生变化。在饱和状态下,气液两相的组成分不同,低沸点组分在气相中的成分总是高于液相中的成分。非共沸混合物质,其泡点线与露点线呈鱼形;气相与液相的组分不相同,各自随相变过程不断变化,直到相变完成。
非共沸混合气体的凝结换热机理与含不凝性气体的凝结换热机理相似,在混合蒸汽凝结过程中,高沸点组分首先发生凝结,气液相界面处低沸点组分的局部浓度会相对升高;低沸点组分的聚集会使得相界面的温度低于气相总体温度,降低了有效传热温差;低沸点组分的聚集形成了蒸气扩散层,即气液相间存在传质阻力,这两方面的原因均会造成凝结换热系数下降。
非共沸混合物质的热力学特征与纯工质相比存在明显差异,其蒸气凝结特性及规律也明显区别于纯物质蒸气。由于在相变过程中存在温度滑移,非共沸混合物质蒸气凝结能够缩小相变过程的传热温差,进而减小换热器的传热不可逆损失,有利于提高制冷循环的效率。