Автореферат (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 3

дажепри ∆Т, меньших разности температур конденсации и кипения, режим уже неявляется чисто пленочным. Капли растут сравнительно медленно; их можноразличить и без использованияскоростной фотосъемки. Достигнувотрывного диаметра, капли скатываются с поверхности трубы. Приувеличении ∆Т до значений, соответствующих второму участку кривойконденсации, капли увеличиваются в размерах и имеют полусферическуюформу. При дальнейшем росте температурного напора (уже на ниспадающейчасти кривой конденсации) средний размер капель и интенсивность их12Рис.

3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенкапри конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе:а - точки 1 – cv=0; 2 – cv=0,4%, 3 – cv=0,8%; 4 – cv=1,9%. Данные работы Хе с сотр.для конденсации на вертикальной пластине: 5 - сv=1 %; 6 – сv=3%; 7 – кривая,рассчитанная по теории Нуссельта для сv=0; б - точки 1 – cv=5,5%; 2 – cv=7,1%, 3 –cv=12%; 4 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для сv=0; в – точки 1 – cv=14,4%;2 – cv=16%; 3 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для сv=013Рис. 4. Зависимость температурного напора пар-стенка, соответствующего началу резкогороста теплоотдачи, от состава смеси. Данные для оребренных труб: 1 – s=1,3мм;2 – s=2,0мм; 3 – s=3,0мм; 4 – данные для вертикальной гладкой трубы; 5 – зависимостьразности между температурами конденсации и кипения от состава смесиудаления с поверхности возрастают; скатывающиеся капли сливаются внерегулярные ручейки.

При сравнительно больших ∆Т происходит слияниеручейков и образуется сильно возмущенная пленка, которая при дальнейшемувеличении ∆Т постепенно переходит в гладкую пленку. При этомкоэффициенты теплоотдачи близки к значениям, рассчитанным по теорииНуссельта для пленочной конденсации паровой смеси на вертикальной трубе.Для получения обобщающей зависимости для расчета теплоотдачи приконденсации на горизонтальной трубе использовались показанные на рис.2наши данные и результаты работы Мураси с сотр., соответствующие, поданным визуальных исследований, псевдокапельному режиму конденсациина большей части периметра трубы (опытные точки на ниспадающих частяхкривых конденсации).

По опытным данным были определены критерииподобия, применявшиеся ранее в работах В.П. Исаченко для капельнойконденсации водяного пара, а затем в работе Г.Н. Величко для конденсациипаровых смесей:∂σ2σ⋅λ ⋅ ∆Tк2αk ⋅ σ ⋅ Tiν∂c .; Pr= ж ; π k =Nu =; Re= жλж ⋅ r ⋅ ρж ⋅ ∆Tкr ⋅ µжaжr ⋅ µ ж2Здесь используются следующие свойства смеси: σ - коэффициентповерхностного натяжения; λж – теплопроводность; r – теплота конденсации;µ ж и νж - динамическая и кинематическая вязкость; aж – температуропроводность.

Массовая доля этанола в конденсате обозначена через с; индекс«ж» относится к жидкой фазе.14Коэффициенты теплоотдачи αk рассчитывалисьпо разноститемператур ∆Tк=Ti - Tc (т.е. соответствовали термическому сопротивлениюжидкой фазы). Здесь Ti – температура границы раздела фаз, которая наосновании результатов оценочного расчета для данных, соответствующихниспадающей части кривой конденсации, принималась равной температурекипения смеси заданного состава.

Диапазон изменения числа Pr был невелик,поэтому с учетом результатов предыдущих исследований значение степенипри числе Pr было принято равным 1/3. Степень при числе подобия k поопытным данным была получена равной 0,3.Nu= F (Re).На рис. 5 опытные данные представлены в виде 0 , 3π k ⋅ Pr 1 / 3Рис.5. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при псевдокапельнойконденсации паровой смеси вода-этанол на горизонтальных трубах:1 - cv =0,8%; 2 - cv =3,9%; 3 - cv =8,7%; Данные Мураси c сотр.: 4 - cv =1,1%;5 - cv =5,4%; 6 - cv =10%; 7 – обобщающая зависимость (1)В итоге было получено уравнение подобия, рекомендуемое для расчетакоэффициента теплоотдачи:Nu = 1, 61 ⋅ 10 −7 ⋅ Re −1,49 ⋅ π k0,3 ⋅ Pr1/3(1)Зависимость (1) описывает 93% опытных точек с разбросом ±25%.Физические свойства конденсата выбирались по температуре межфазнойграницы Ti. Опытным данным соответствуют следующие диапазоныизменения определяющих величин: Re =9·10-4…5·10-2; πk =0,04…0,21;15Pr=1,7…1,8.

Отметим, что зависимость Nu ∼ Re−1,49 соответствуетα k ∼ ∆Tk−0,49 , т.е. коэффициент теплоотдачи при псевдокапельнойконденсации с ростом температурного напора снижается быстрее, чем припленочном режиме конденсации.Для обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче приконденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе и данныхработы Хе с сотр., полученных на вертикальной пластине, использовались теже числа подобия (Nu, Re, πk и Pr), что и для горизонтальной трубы (рис.6).Была получена зависимость, которая с разбросом ±30% обобщает 90%опытных точек:Nu = 2,14 ⋅ 10 −8 ⋅ Re −1,97 ⋅ π k0,3 ⋅ Pr1/3(2)Диапазоны изменения чисел подобия: Re= 7·10 …4,5·10 ; πk =0,016…0,23;Pr =1,7…2,1.

Показатель степени при числе Re в формуле (2), равный –1,97,−0,97соответствует зависимости α k ∼ ∆Tk. Таким образом, в условияхпсевдокапельной конденсации на вертикальной трубе и на вертикальнойпластине коэффициент теплоотдачи гораздо сильнее зависит оттемпературного напора, чем при таком же режиме конденсации нагоризонтальной трубе.-4-2Рис.6. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при псевдокапельнойконденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе и вертикальнойпластине: 1 - cv =0,4%; 2 - cv =0,8%; 4 - cv =1,9%; 6 - cv =5,5%; 7 - cv =7,1%;8 - cv =12%; 9 - cv =14,4%; 10 - cv =16%; данные Хе с сотр.: 3 - cv =1%; 5 - cv =3%.11 - обобщающая зависимость (2)16Четвертая глава посвящена исследованию теплоотдачи приконденсации паровой смеси вода-этанол на наружной поверхности трехгоризонтальных оребренных медных труб.

Они имели прямоугольныекольцевые ребра, при этом высота и толщина ребер для всех трубсоставляла 1,0 мм, диаметр по корням ребер 10,0 мм, а расстояние междуребрами s=1,3, 2,0 и 3,0 мм. Степень развития поверхности труб за счеторебрения была равна соответственно 2,05, 1,8 и 1,6. Опыты проводилисьпри давлениях от 0,12 до 0,15 МПа. При расчете коэффициента теплоотдачипо опытным данным тепловой поток относили к поверхности гладкой трубыс диаметром, равным диаметру оребренной трубы по корням ребер.Предварительно на тех же трубах была проведена серия опытов поконденсации чистого водяного пара. Наибольшие значения коэффициентовтеплоотдачи были получены при s=2 мм. Результаты опытов на чистомводяном паре хорошо согласуются с расчетом по методике Сринивасана ссотр.

Эксперименты по конденсации паровой смеси вода-этанол проводилисьпри трех значениях массовой концентрации этанола в паре: 8,7, 12 и 14,5%.Опытные данные по теплоотдаче, полученные «прямым» и «косвенным»методами, согласуются между собой в пределах 15%. На рис.7 представленыполученные с использованием «прямого» метода кривые конденсации длякаждой концентрации этанола в паре при разных расстояниях междуребрами. Как и при конденсации паровой смеси на гладких трубах, каждуюкривую конденсации можно разделить на три участка: 1) с преобладаниемдиффузионного сопротивления в паровой фазе и низкой теплоотдачей; 2) срезким ростом теплоотдачи; 3) ниспадающий участок кривой конденсации.При фиксированном расстоянии между ребрами увеличение сv приводит кповышению температурного напора пар-стенка, при котором начинаетсявторой участок кривой конденсации. Наибольшее значение коэффициентатеплоотдачи для сv=8,7% примерно в 4 раза выше, чем при пленочнойконденсации водяного пара на горизонтальной гладкой трубе, что связанокак с развитием поверхности теплообмена, так и с интенсификациейтеплообмена за счет перехода к псевдокапельному режиму конденсации.

Сростом сv максимальное значение коэффициента теплоотдачи понижается, иему соответствуют все большие значения ∆Т. Начало резкого ростатеплоотдачи, так же как при конденсации паровой смеси вода-этанол нагладких трубах, соответствует достижению температурным напором парстенка значения ∆Тн.р., близкого к разности температур конденсации икипения на диаграмме фазового равновесия (рис. 4). На рис. 8 показаны нашиопытные данные для оребренной трубы с s=2,0 мм, полученные при сv=12%, в сравнении с опытными данными Мураси с сотр.

по конденсациипаровой смеси вода-этанол с близкой концентрацией этанола в паре (сv=10%)на горизонтальной гладкой трубе (при скорости смеси 0,15 м/с). Видно, чтомаксимальное значение коэффициента теплоотдачи при конденсации наоребренной трубе примерно в 2 раза выше, чем при конденсации на гладкойтрубе. Как и при конденсации на гладкой трубе, коэффициент теплоотдачи на17оребренной трубе снижается с ростом температурного напора в связи спостепенным переходом от псевдокапельного режима конденсации кпленочному. Однако даже при ∆Т=30К коэффициент теплоотдачи наоребренной трубе примерно в 1,5 раза выше, чем на гладкой трубе.Рис. 7. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации паровой смеси вода-этанол на оребренных трубах.а - s=1,3мм; б - s=2,0мм; в - s=3,0мм; точки: 1 – сv=8,7%; 2 – сv =12%;3 – сv=14,5%; 4 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для конденсациина гладкой трубе при сv=018Рис.8.

Сравнение опытных данных по теплоотдаче при конденсации паровой смесивода-этанол на гладкой и оребренной трубах:1 – оребренная труба с s=2мм, сv=12%; 2 – данные Мураси с сотр. для гладкойтрубы, сv=10%Таким образом, опытные данные, представленные в четвертой главе,свидетельствуют о том, что оребрение горизонтальных труб позволяетзаметно интенсифицировать процесс теплообмена при псевдокапельнойконденсации паровой смеси вода-этанол.В приложениях приведен расчет среднеквадратичной погрешностиизмерения коэффициентов теплоотдачи, которая не превышала 10% для«прямого» метода и 15% для «косвенного» метода, а также помещенытаблицы опытных данных.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.2.Создана экспериментальная установка с автоматизированной системойсбора и обработки информации и управления экспериментом,предназначенная для исследования теплообмена при конденсациипаровых смесей на наружной поверхности гладких и оребренных труб;разработаны методы измерения коэффициентов теплоотдачи припсевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей.Впервые проведено экспериментальное исследование теплоотдачи припсевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смесивода-этанол на горизонтальной гладкой трубе в диапазоне малыхмассовых концентраций этанола в смеси (от 0,8% до 8,7%).Температурный напор пар-стенка изменялся от 5 до 46К.

Отмечено, чтомаксимальное значение коэффициента теплоотдачи в режимепсевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол при массовой3.4.5.19концентрации этанола в смеси 0,8% в 2,3 раза выше, чем для пленочнойконденсации водяного пара. Опытные данные хорошо согласуются сданными предыдущих исследований теплоотдачи при псевдокапельнойконденсации паровых смесей на горизонтальных трубах.Впервые выполнено экспериментальное исследование теплоотдачи припсевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смесивода-этанол на вертикальной трубе. Опыты проведены в диапазонеизменения массовой концентрации этанола в смеси от 0,4% до 16% итемпературных напоров пар-стенка от 2 до 43К.