Автореферат (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах)

23ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Теплообменные аппараты, предназначенные дляконденсации водяного пара, широко используются в энергетике ипромышленности. Актуальной является задача уменьшения их габаритов иметаллоемкости.Для этогоприменяются различные способыинтенсификации теплообмена при пленочной конденсации, например,увеличение скорости пара или оребрение поверхности теплообмена. Весьмаэффективным является такой способ интенсификации теплообмена, какиспользование гидрофобизаторов для перехода от пленочного режимаконденсации к капельному. Однако капельный режим конденсации водяногопара не удается поддерживать в течение длительного времени ввидузасорения или разрушения гидрофобных покрытий.

Это ограничиваетпрактическое применение капельной конденсации.В то же время известно, что при конденсации некоторых бинарныхпаровых смесей возможен переход от пленочного режима конденсации кпсевдокапельному, которыйреализуется на смачиваемой поверхноститеплообмена, т.е. для его создания не требуется применять гидрофобизаторы.Недавно выполненные исследования показали, что в определенных условияхпри псевдокапельной конденсации паровых смесей возможно получениетаких же высоких коэффициентов теплоотдачи, как при «классической»капельной конденсации. Для практического применения этого новогоспособаинтенсификациитеплообменатребуетсяпроведениеэкспериментальных исследований теплообмена при псевдокапельнойконденсации паровых смесей на трубах и получение зависимостей длярасчета теплоотдачи на основе опытных данных.Целью работы является экспериментальное исследование теплообменапри конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол натрубах и получение зависимостей для расчета теплоотдачи путем обобщенияопытных данных.Научная новизна работы.

Впервые получены опытные данные потеплоотдаче при псевдокапельной конденсации практически неподвижнойпаровой смеси вода-этанол на горизонтальной и вертикальной гладкихтрубах при малых массовых концентрациях этанола в смеси. Показано, чтопри псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смесивода-этанол максимальное значение коэффициента теплоотдачи в несколькораз выше, чем при пленочной конденсации водяного пара. Проведенообобщение результатов работы совместно с известными из литературыданными и получены зависимости для расчета теплоотдачи.Впервые выполнено исследование теплоотдачи при псевдокапельнойконденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол нагоризонтальныхоребренныхтрубах.Показано,чтооребрениегоризонтальных труб позволяет существенно интенсифицировать процесстеплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол.4Достоверность полученных результатов и обоснованность выводовдиссертационной работы обеспечивается и подтверждается:- тщательной проработкой методов измерения, использованиемдублирующих методов измерения коэффициентов теплоотдачи и составасмеси, результатами анализа погрешностей измерений;- своевременной поверкой использованной аппаратуры, предварительнойтарировкой всех используемых первичных датчиков;- автоматизацией эксперимента, которая позволила с высокой точностьюустанавливать и поддерживать заданные режимные параметры процессаконденсации и проводить большое число первичных измерений;- воспроизводимостью результатов эксперимента и согласованностью их симеющимися в литературе данными, полученными в близких условиях.Практическая ценность.

Результаты исследования (как первичныеданные, так и обобщающие зависимости) могут быть использованы приразработке и проектировании новых типов конденсаторов пара синтенсификацией теплообмена за счет работы в режиме псевдокапельнойконденсации, предназначенных для энергетики и различных отраслейпромышленности. Экспериментальные данные могут также использоватьсядля апробации новых методов теоретического расчета теплообмена приконденсации бинарных паровых смесей.На защиту выносятся:- результаты экспериментального исследования теплообмена приконденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол нагладкой горизонтальной трубе, проведенного в широком диапазонеизменения температурного напора пар-стенка при малых массовыхконцентрациях этанола (от 0,8 до 8,7% в паровой фазе);- результаты экспериментального исследования теплообмена приконденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол нагладкой вертикальной трубе, проведенного в широком диапазоне изменениятемпературного напора пар-стенка при малых массовых концентрацияхэтанола (от 0,4 до 16% в паровой фазе);- результаты экспериментального исследования теплообмена приконденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол нагоризонтальных оребренных трубах с различными расстояниями междуребрами при малых массовых концентрациях этанола (от 8,7 до 14,5% впаровой фазе);- расчетные зависимости, полученные при обобщении экспериментальныхданных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации практическинеподвижной паровой смеси вода-этанол на гладких трубах совместно сданными других исследований.Апробацияработы.Основныеположенияирезультатыдиссертационной работы изложены и обсуждены: на 18-й Школе-семинаремолодых ученых и специалистов под руководством акад.

РАН5А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в новыхэнергетических технологиях», Звенигород, 2011; на Международнойнаучной школе «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетическихтехнологиях», Москва, 2011г.; на 17-й и 18-й Международных научнотехнических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,электротехника и энергетика», Москва, 2011, 2012 гг.; на Национальнойконференции «Повышение эффективности, надежности и безопасностиработы энергетического оборудования ТЭС и АЭС», Москва, 2012 г.; на12-й Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросытеплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2012 г.Публикации. Содержание диссертационной работы изложено в статьяхи докладах, в трудах отечественных и международных конференций, списоккоторых приведен выше. Основное содержание работы представлено в двухпубликациях в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемыхнаучных журналов и изданий ВАК.Личныйвкладавтора.Авторомдиссертациисозданаэкспериментальная установка с автоматизированной системой сбора иобработки информации и управления экспериментом, предназначенная дляисследования теплообмена при конденсации паровых смесей на наружнойповерхности гладких и оребренных труб; разработаны методы измерениякоэффициентов теплоотдачи при псевдокапельной конденсации бинарныхпаровых смесей.

Проведено экспериментальное исследование теплообменапри конденсации паровой смеси вода – этанол на гладких и оребренныхтрубах в широком диапазоне изменения температурного напора пар-стенкапри малых концентрациях этанола в смеси. Выполнено обобщение опытныхданных и получены зависимости, рекомендуемые для расчета теплоотдачи.Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 147 страницсостоит из введения, четырех глав, выводов по работе и приложений ивключает 45 рисунков и 6 таблиц.

Список цитируемых источниковсоставляет 70 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, показанаперспективность использования процесса псевдокапельной конденсации дляинтенсификации теплообмена в конденсаторах энергетических ипромышленных установок.Первая глава посвящена обзору исследований по данной проблеме. Пообзору сделаны следующие выводы.1. Псевдокапельная конденсация паровых смесей взаиморастворимыхжидкостей (конденсация Марангони) – это весьма сложный физическийпроцесс, который лишь в конце 1990-х годов начали детально изучать внескольких научных лабораториях мира. В отличие от «классической»капельной конденсации чистого пара на лиофобной поверхности,6псевдокапельная конденсация протекает на смачиваемой поверхности.Таким образом, для организации процесса псевдокапельной конденсации нетребуется применение лиофобизаторов, что открывает перспективы еепрактического применения.2.

Наибольшее число работ, посвященных исследованию теплообмена припсевдокапельной конденсации, выполнено для паровых смесей воды сэтанолом. Измерения теплоотдачи проводились при конденсациидвижущихся паровых смесей на вертикальной и горизонтальной пластинах,на вертикальной и горизонтальной гладких трубах. Изучалось влияние натеплоотдачу состава, скорости и давления смеси, температурного напора парстенка, наличия в смеси неконденсирующихся примесей, а также градиентатемпературы вдоль поверхности теплообмена.

При псевдокапельнойконденсации движущейся паровой смеси вода-этанол на вертикальнойпластине для весьма малой (около 1%) массовой концентрации этанола впаровой смеси были получены коэффициенты теплоотдачи в 8 раз выше, чемпри пленочной конденсации водяного пара. Значительное увеличениекоэффициента теплоотдачи при переходе от пленочного режима конденсациипаровой смеси к псевдокапельному режиму отмечено и в опытах, где вкачестве поверхности теплообмена использовались вертикальные игоризонтальные гладкие трубы.3. Практически все исследования теплоотдачи при псевдокапельнойконденсации были проведены в условиях вынужденного движения паровойсмеси, а имеющийся в литературе весьма ограниченный экспериментальныйматериал по конденсации практически неподвижных паровых смесей врежимах, отличных от пленочного, был получен только на горизонтальнойгладкой трубе и при относительно высоких концентрациях низкокипящегокомпонента в смеси, т.е.

при сильном негативном влиянии диффузионногосопротивления паровой фазы на теплоотдачу. Отсутствуют опытные данныепо теплоотдаче при псевдокапельной конденсации практическинеподвижных паровых смесей на вертикальных гладких трубах.Псевдокапельнаяконденсацияпаровыхсмесейнаоребренныхгоризонтальных трубах ранее не изучалась.4. К настоящему времени созданы две расчетные модели псевдокапельнойконденсации, которые содержат большое число допущений и лишьприближенно отражают весьма сложный механизм этого процесса, асоответствующиеметодики,предназначенныедлявычислениякоэффициентов теплоотдачи, основаны на ограниченном экспериментальномматериале и не пригодны для практического использования.