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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиЧИНДЯКОВ Андрей АнатольевичЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНАПРИ ПСЕВДОКАПЕЛЬНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВОЙ СМЕСИВОДА-ЭТАНОЛ НА ГЛАДКИХ И ОРЕБРЕННЫХ ТРУБАХСпециальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехникаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наук, доцентСмирнов Ю.Б.МОСКВА - 2014СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ ..........................................................................................................4ГЛАВА I. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПСЕВДОКАПЕЛЬНОЙ КОНДЕНСАЦИИБИНАРНЫХ ПАРОВЫХ СМЕСЕЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).........................101.1 Непленочные режимы конденсации бинарных паровыхсмесей......................................................................................................101.2 Теплоотдача при псевдокапельной конденсации бинарных паровыхсмесей....................................................................................................161.3 Теплообмен при конденсации пара и паровых смесей на оребренныхгоризонтальных трубах.........................................................................401.4 Выводы по главе 1 и задачи исследования..........................................47ГЛАВА II.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКАИ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА........................................50ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНАПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВОЙ СМЕСИ ВОДА – ЭТАНОЛ НА ГЛАДКИХТРУБАХ..............................................................................................................673.1 Горизонтальная гладкая труба..............................................................673.2 Вертикальная гладкая труба.................................................................683.3 Анализ опытных данных по теплоотдаче............................................723.4 Результаты визуального исследования и скоростной фотосъемкипроцесса псевдокапельной конденсации.............................................783.5 Термические сопротивления в процессе псевдокапельнойконденсации..........................................................................................833.6 Обобщение опытных данных по теплоотдаче при конденсациипаровой смеси вода-этанол на гладких трубах....................................842ГЛАВА IV.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИПАРОВОЙ СМЕСИ ВОДА – ЭТАНОЛ НА ОРЕБРЕННЫХГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ ........................................................................93ВЫВОДЫ .........................................................................................................106ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................108ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯКОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ .........................................................117П.1.1.

Погрешность измерения коэффициента теплоотдачи«прямым» методом......................................................................117П.1.2. Погрешность измерения коэффициента теплоотдачи«косвенным» методом.................................................................120ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТАБЛИЦЫ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ.................................125П.2.1.

Эксперименты на гладкой горизонтальной трубе....................125П.2.2. Эксперименты на гладкой вертикальной трубе........................127П.2.3. Эксперименты на оребренной горизонтальной трубе (s = 1,3мм)..........................................................................................................136П.2.4. Эксперименты на оребренной горизонтальной трубе (s = 2мм)..........................................................................................................140П.2.3.

Эксперименты на оребренной горизонтальной трубе (s = 3мм)..........................................................................................................1443ВВЕДЕНИЕТеплообменные аппараты, предназначенные для конденсации пара,широко используются в энергетике, химической, нефтехимической ипищевой промышленности. Актуальной является задача уменьшения ихгабаритов и металлоемкости, в связи с чем применяются различные способыинтенсификации теплообмена при конденсации, например, увеличениескоростипараилиоребрениеповерхноститеплообмена.Весьмаэффективным является такой способ интенсификации теплообмена, какпереход от пленочного режима конденсации к капельному, что обычноосуществляется путем применения не смачиваемых конденсатом (дляконденсации водяного пара – гидрофобных) поверхностей теплообмена.Основные методы создания гидрофобных поверхностей – это внесениегидрофобизатора в поток пара, нанесение на поверхность активаторовкапельной конденсации на основе тефлона, имплантация ионов неметаллов.В научной литературе время от времени появляются сообщения об успешномприменении в лабораторных условиях того или иного нового способасоздания гидрофобных и супергидрофобных поверхностей, в последнеевремя – с применением нанотехнологий.

Однако капельный режимконденсациина таких поверхностях не удается поддерживать в течениедлительноговременииз-заестественногозасоренияиразрушениягидрофобных покрытий, что ограничивает их практическое применение.В то же время известно, что при конденсации бинарных паровыхсмесейвозможенпереходотпленочногорежимаконденсациикнепленочным режимам, одним из которых является капельный (точнее –псевдокапельный), которыйреализуется на смачиваемой поверхноститеплообмена. Это явление, основанное на эффекте Марангони, наблюдаетсяпри конденсации паровых смесей неограниченно смешивающихся жидкостейс достаточно сильно различающимися коэффициентами поверхностногонатяжения и было обнаружено в начале 1960-х годов. Однако так как при4конденсации паровых смесей неазеотропного состава всегда возникаетдиффузионныйслой,чтоприводиткуменьшениюкоэффициентовтеплоотдачи, многие годы считалось, что даже при переходе к режимупсевдокапельной конденсации заметной интенсификации теплообмена приконденсации паровых смесей быть не может.

Лишь в середине 1990-х годовпоявились первые работы, в которых было показано, что при весьма малыхконцентрациях низкокипящего компонента в бинарной смеси, когдатермическое сопротивление диффузионного слоямало, коэффициентытеплоотдачи при псевдокапельной конденсации (ее называют такжеконденсацией Марангони) могутбыть в несколько раз выше, чемприпленочной конденсации. В 1995 г. в опытах по конденсации паровой смесивода-этанол на вертикальной пластине при скорости паровой смеси 1,5 м/c исодержании этанола в паре около 1%были получены коэффициентытеплоотдачи в 8 раз выше, чем при пленочной конденсации водяного пара.Это значительно усилило интерес к исследованиям теплообмена припсевдокапельной конденсации паровых смесей, поскольку выяснилось, чтоэто явление было недостаточно изучено, но в то же время имеетсяперспектива его практического применения.

За последние 15 лет появилосьболее 20 работ, в которых проводились исследования псевдокапельнойконденсации бинарных паровых смесей – как теплообмена, так и величин,непосредственнохарактеризующихмеханизмэтоговесьмасложногофизического процесса. Изучалось влияние на теплоотдачу состава смеси,температурного напора между паром и стенкой, скорости смеси, давления,влияния неконденсирующихся газов. В то же время некоторые важныевопросы(например,теплообменприпсевдокапельнойконденсациипрактически неподвижных паровых смесей на гладких и оребренных трубах)до сих пор не привлекали должного внимания исследователей. Данная работанаправлена на изучение этих сложных процессов и получение опытныхданных, полезных как для развития теории, так и для возможныхпрактических приложений.5Целью 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 горизонтальнойи 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 сизвестными 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.Достоверность полученных результатов и обоснованность выводовдиссертационной работы обеспечивается и подтверждается:-тщательнойпроработкойметодовизмерения,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;6- воспроизводимостью результатов эксперимента и согласованностью их симеющимися в литературе данными, полученными в близких условиях.Практическая ценность.