Автореферат (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 2

Обобщающиезависимости, предназначенныедля расчета теплоотдачи при псевдокапельной конденсации паровых смесей, в литературе отсутствуют.Все это говорит о необходимости дальнейшего экспериментальногоизучения теплообмена при псевдокапельной конденсации бинарных паровыхсмесей взаиморастворимых жидкостей.7Во второй главе приводится описание экспериментальной установки,системы автоматизации эксперимента и методов измерений коэффициентовтеплоотдачи.

Установка состоит из двух замкнутых контуров, основного ивспомогательного (рис.1). В основной контур входят парогенератор,пароперегреватель и рабочий участок. Вспомогательный контур состоит изтермостата с дистиллированной водой, циркуляционного насоса ирегулирующей арматуры. Он предназначен для отвода тепла от рабочегоучастка и связан также с системой автоматизации экспериментальнойустановки. Конденсация паровой смеси вода-этанол происходила нанаружной поверхности медной трубки, установленной по оси рабочегоучастка.

Использовались две гладкие опытные трубки, одна из которых быларасположена горизонтально, а другая вертикально, а также три оребренныеснаружи горизонтально расположенные опытные трубки. Гладкие трубкиимели наружный диаметр 12,0 мм и толщину стенки 2,0 мм. Геометрическиеразмеры оребренных труб приведены на стр.16. Длина участка конденсациидля всех труб составляла 100 мм.Рис.

1. Схема экспериментальной установки. 1 - парогенератор; 2 пароперегреватель; 3 - рабочий участок; 4 - термостат; 5 - вентиль продувки; 6 циркуляционный насос; 7 - регулятор расхода; 8 – образцовый манометр; 9 - датчикдавления; 10 - термопара (Тпара); 11- платиновый термометр сопротивления (Твых), 12термопары (Тс), 13 - платиновый термометр сопротивления (Твх); 14 - электромагнитныйрасходомер; 15 - регулятор мощности; 16 - модуль ввода сигналов термопар; 17- модульввода сигналов термометров сопротивления; 18 - модуль вывода 0-10В; 19 - конверторинтерфейсов RS485/USB; 20 – шлюзовая камера8Основные элементы системыавтоматизации экспериментапредставлены на рис.1.

Давление поддерживалось с высокой точностью спомощью ПИД-регулятора путем изменения мощности парогенератора.Управление работой термостата вспомогательного контуратакжепроизводилосьс помощью ПИД-регулятора, причем в качествеуправляющего параметра была выбрана температура стенки. Это позволилопри проведении эксперимента получать зависимости коэффициентатеплоотдачи от температурного напора пар-стенка с заранее заданным шагомпо температурному напору.Коэффициент теплоотдачи α находили как отношение плотноститеплового потока на стенке qc к температурному напору между паром истенкой ∆Т= Ts -Tc. Плотность теплового потока на стенке определялась порасходу охлаждающей воды, измеряемому электромагнитным расходомером,и ее подогреву, который находили по результатам измерения среднемассовойтемпературы платиновыми термометрами сопротивления, установленными впотоке охлаждающей воды на входе в опытную трубку (Твх) и на выходе изнее (Твых).

Температура трубы измерялась заложенными в стенкутермопарами, горячие спаи которых располагались вблизи ее наружнойповерхности в среднем сечении участка конденсации. При вычислении ∆Тиспользовалось среднее по периметру трубы значение температуры стенки(Тс). Температура конденсации Ts определялась по диаграмме «температура состав» для смеси вода-этанол с учетом давления в рабочем участке,измеряемого образцовым манометром, и состава смеси, который находилипри помощи призматического рефрактометра.Для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации наоребренных трубах наряду с описанным выше «прямым» методом в качестведублирующего применялся также «косвенный» метод, основанный напредставлении общего термического сопротивления в процессе конденсациипара в виде суммы его составляющих и не требующий измерениятемпературы стенки.

Необходимая для его корректного использованияуточненная зависимость для расчета теплоотдачи со стороны охлаждающейводы была получена при обработке опытных данных по конденсации чистогонеподвижного водяного пара на гладкой горизонтальной трубе сиспользованием модифицированного метода Вильсона.Экспериментальная установка позволяла в автоматизированном режимепроизводить сбор и обработку первичных данных, а также с высокойточностью управлять режимными параметрами эксперимента.

Особоевнимание было обращено на удаление из контура установкинеконденсирующихся газов, которое проводилось путем многократныхпродувок из рабочего участка в атмосферу при работе установки надистиллированной воде в течение 10-12 часов. Затем установка еще в течение3-5 часов выводилась на заданный исходный стационарный режим.Вначале проводились измерения коэффициентов теплоотдачи припленочной конденсации чистого практически неподвижного водяного пара.9В случае хорошего согласования данных по теплоотдаче с расчетом потеории Нуссельта без выключения установки начинались опыты поконденсации паровой смеси вода-этанол.

Для этого в воду, находящуюся впарогенераторе, через шлюзовую камеру добавляли жидкий этанол вколичестве, необходимом для получения значения состава смеси, близкого ктребуемому, после чего устанавливали стационарный режим и проводилиавтоматизированные измерения коэффициентов теплоотдачи при изменении∆Т с заданным шагом. Затем из рабочего участка небольшой объем паровойсмеси направлялся во вспомогательный конденсатор. Состав полученного внем конденсата, равный составу паровой смеси в рабочем участке, измерялсяс помощью призматического рефрактометра.

Таким же прибором определялисостав пробы жидкой смеси, которая отбиралась из парогенератора. Составпаровой смеси, определенный по составу жидкости в парогенераторе спомощью диаграммы «температура-состав» для бинарной смеси вода-этанол,как правило, был близок к составу паровой смеси в рабочем участке.Третья глава посвящена результатам опытов по конденсации паровойсмеси вода-этанол на наружной поверхности гладких труб (горизонтальной ивертикальной).

Опыты на горизонтальной гладкой трубе проводились примассовом содержания этанола в паровой фазе сv = 0,8, 3,9 и 8,7%. Давлениево всех опытах составляло 0,12 МПа. Температурный напор между паром истенкой изменялся от 5К до 45К. Результаты опытов представлены на рис.2виде графиков зависимости коэффициента теплоотдачи от температурногонапора. Там же показаны наши опытные данные по конденсации чистогонеподвижного водяного пара, а также результаты экспериментальногоисследования теплообмена при конденсации паровой смеси вода-этанол,полученные в работе Мураси с сотр.

при атмосферном давлении длязначений сv, равных 1,1, 5,4 и 10,0% в условиях вынужденного поперечногообтекания горизонтально расположенной опытной трубки наружнымдиаметром 12,2 мм потоком паровой смеси со скоростью 0,15 м/с(минимальной из реализованных в этой работе). Опытные данные потеплоотдаче при конденсации чистого водяного пара в пределах 10%согласуются с расчетом по формуле Нуссельта.При конденсации паровой смеси вода-этанол с ростом ∆Т коэффициенттеплоотдачи сначала увеличивается, проходит через максимум, а затемуменьшается, приближаясь к рассчитанному для пленочной конденсациисмеси по теории Нуссельта. При сv=0,8% и ∆Т=5К было полученомаксимальное значение коэффициента теплоотдачи, которое составляло 42кВт/(м2К), т.е.

было в 2,3 раза выше, чем при конденсации чистого водяногопара (рис.2а). С увеличением концентрации этанола в смеси максимальноезначение коэффициента теплоотдачи снижается, и ему соответствует болеевысокий температурный напор между паром и стенкой. Как следует изданных, представленных на рис.2, результаты наших измерений хорошосогласуются с данными работы Мураси с сотр. для соответствующих близкихконцентраций этанола.10Рис.

2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанол нагоризонтальных трубах.а – точки: 1 – сv=0; 2 – сv=0,8%; 3 – данные Мураси с сотр. для сv=1,1%; 4 – кривая,рассчитанная по теории Нуссельта для cv=0; б – точки: 1 – сv=3,9%; 2 – данныеМураси с сотр. для сv=5,4%; 3 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта длясv=0; в – точки: 1 – сv=8,7%; 2 – данные Мураси с сотр. для сv=10,0%; 3 – кривая,рассчитанная по теории Нуссельта для сv=011Опыты по конденсации на гладкой вертикальной трубе быливыполнены на водяном паре и на паровой смеси вода-этанол при восьмизначениях массового содержания этанола, которое в паровой фазеизменялось от 0,4% до 16%; давление составляло 0,12…0,13 МПа.Результаты измерений представлены на рис.3. Видно, что при конденсацииводяного пара опытные данные по теплоотдаче хорошо согласуются срасчетом по формуле Нуссельта.

В опытах по конденсации смеси при малыхконцентрациях этанола и температурных напорах около 5К были полученызначения коэффициентов теплоотдачи, достигающие 90 кВт/(м2К), что в 4,5раза больше, чем при пленочной конденсации чистого водяного пара(рис.3а). На рис.3б и 3в при сv=5,5…16% можно выделить три участказависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора (кривойконденсации): 1) участок с относительно низкими значениями коэффициентатеплоотдачи, обусловленнымизначительной ролью диффузионноготермического сопротивления; 2) участок, на котором происходит резкий росткоэффициента теплоотдачи в связи с переходом от пленочного режимаконденсации к псевдокапельному; 3) ниспадающая часть кривойконденсации, где коэффициент теплоотдачи изменяется от максимальногозначения до величины, соответствующей пленочному режиму конденсациисмеси.

Опытные данные работы Хе с сотр. по конденсации паровой смесивода-этанол на вертикальной пластине для концентраций этанола в паре 1% и3%, представленные на рис.3а, согласуются с результатами нашихизмерений. Отметим также, что при близких сv на ниспадающей частикривой конденсации при относительно небольших температурных напорахкоэффициент теплоотдачи при конденсации паровой смеси на вертикальнойтрубе больше, чем на горизонтальной трубе (см. рис.2а, 3а). Температурныйнапор пар-стенка, при котором начинается резкий рост теплоотдачи (∆Тн.р.),изменяется с ростом концентрации этанола в смеси и близок к разностимежду температурами конденсации и кипения для данного состава смеси(рис.4). Этот результат хорошо согласуется с данными Ютаки с сотр.

дляконденсации движущейся со скоростью до 1,5 м/с паровой смеси вода-этанолна вертикальной пластине, что позволяет сделать вывод о том, что значение∆Тн.р. в основном определяется составом смеси.Через смотровые окна рабочего участка проводилось наблюдение загидродинамической картиной на поверхности трубы и выполняласьскоростная фотосъемка. На фотографиях, соответствующих первому участкукривой конденсации, отчетливо видны мелкие капли конденсата, т.е.