Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 10

Дляэтого были проведены опыты по конденсации чистого водяного пара нагоризонтальной гладкой медной трубе внутренним диаметром 8,0 мм инаружным диаметром 12,0 мм, из которой изготавливались оребренныетрубы. Опыты проводились при постоянном давлении 0,115МПа. ЧислоРейнольдса со стороны охлаждающей воды изменялось от 4,7·104 до 7,8·104,поэтому в качестве базовой зависимости для коэффициента теплоотдачи63была взята формула Петухова Б.С. с сотр. [55] с поправками на начальныйтермический участок и на переменность физических свойств:  l 2/3    0.11Nu  C1 1       с 9001 12, 7  8  Pr 2/3  1   d1     ж Re 8 Re Pr(2.13)где  - коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый поформуле Филоненко:  1,82  lg Re 1, 64 2(2.14)Коэффициент теплоотдачи с наружной стороны опытной трубкиопределялся по выражению, основанному на формуле Нуссельта [56] дляламинарной пленочной конденсации на горизонтальной гладкой трубе споправкой на изменение физических свойств с температурой:1/83ж  ж r g  ж  с  2  C2  4   ж Ts  Tc  d 2  с   ж 3Здесьиспользуются2следующиесвойства(2.15)жидкости:λ–теплопроводность; µ - динамическая вязкость; ρ – плотность; r – теплотаконденации.

Индексы: «ж» - при температуре насыщения; «с» - притемпературе стенки.Известно, что при конденсации чистого пара на горизонтальнойгладкой трубе необходимо вводить поправку на волнообразование ккоэффициенту теплоотдачи, рассчитанному по формуле (2.15), есливыполняется следующее условие [57]:d 2  20  l64(2.16)0,5  где d2 - наружный диаметр опытной трубки, а l   - капиллярная g постоянная жидкости.

Для условий проведенных опытов, как показалирасчеты по (2.16), введения поправки на волнообразование не требовалось.Термическое сопротивление стенки опытной трубки вычислялось поформуле:Rс d1 ln 22 с  ld1(2.17)и было примерно на порядок меньше, чем термические сопротивлениявнутри и снаружи опытной трубки.В результате опытов было получено около 50 опытных точек, которыепредставлены на рис. 2.5 в виде зависимости Y(X), где Y и X рассчитаны поформулам (2.12).Рис.

2.5. Зависимость Y от X в методе Вильсона(результаты предварительных опытов по конденсации водяного парана гладкой горизонтальной трубе)65Там же показана прямая, аппроксимирующая опытные данные. Такимобразом, коэффициент Ci в формуле Б.С. Петухова с сотр. для условий нашихопытов оказался равным 0,93.

При этом коэффициент Co в формулеНуссельта был равен 0,703, что близко к его известному значению,составляющему 0,728.663. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНАПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВОЙ СМЕСИ ВОДА - ЭТАНОЛНА ГЛАДКИХ ТРУБАХ3.1 Горизонтальная гладкая трубаОпыты проводились при трех значениях массовой концентрации этанола впаровой фазе (сv): 0,8%, 3,9% и 8,7%. Давление во всех опытах составляло0,12МПа.

Температурный напор между паром и стенкой изменялся от 5К до46К. Результаты опытов представлены на рис.3.1 и 3.2 в виде графиковзависимостей коэффициентов теплоотдачи и плотности теплового потока отΔТ. Там же показаны наши опытные данные по конденсации чистогонеподвижного водяного пара. На графики нанесены также опытные точки,полученные в работе [28] при конденсации паровой смеси вода-этанолатмосферного давления для близких значений сv, равных соответственно 1,1,5,4 и 10,0% в условиях вынужденного поперечного обтекания горизонтальнорасположенной опытной трубки наружным диаметром 12,2 мм потокомпаровой смеси, движущейся со скоростью 0,15 м/с (минимальной изреализованных в работе [28]).Опытные данные по теплоотдаче при конденсации чистого водяного пара впределах 10% согласуются с расчетом по формуле Нуссельта [56] с учетомвведенной Д.А. Лабунцовым [57] поправки, учитывающей переменностьфизических свойств конденсата:3λж  ρж  g  r   c   ж  = 0, 728  4   ж  Ts  Tc   d 2   ж  с 30,1252.(3.1)Это косвенно свидетельствует о том, что основные величины, по которымопределялся коэффициент теплоотдачи при конденсации паровой смеси,измерялись с необходимой точностью.При конденсации паровой смеси вода-этанол с ростом ΔТ коэффициенттеплоотдачи сначала увеличивается, проходит через максимум, а затем67уменьшается, приближаясь к рассчитанному по теории Нуссельта дляпленочной конденсации чистого водяного пара.

При сv = 0,8% и ΔТ=5К былополучено максимальное значение коэффициента теплоотдачи, котороесоставляло примерно 42 кВт/(м2К), т.е. было в 2,3 раза выше, чем припленочной конденсации чистого водяного пара (рис.3.1, а). С увеличениемконцентрации этанола в смеси максимальное значение коэффициентатеплоотдачи снижается, и ему соответствует более высокий температурныйнапор между паром и стенкой. Максимальное значение плотности тепловогопотока в наших опытах было получено при сv = 5,4% и составляло около 750кВт/м2. Как следует из данных, представленных на рис.3.1 и 3.2, результатынаших измерений во всем исследованном диапазоне изменения состава смесихорошо согласуются с данными работы Мураси и др. [28], полученными длясоответствующих близких концентраций этанола.

Отметим лишь, что присамых высоких температурных напорах опытные точки работы [28] лежатближе к зависимости Нуссельта для конденсации чистого водяного пара, чемнаши опытные данные.3.2. Вертикальная гладкая трубаОпыты были выполнены на чистом водяном паре и на паровой смесивода-этанол при восьми значениях массовой концентрации этанола, которая впаровой фазе изменялась от 0,4% до 16%. Давление в опытах при cv=12%составляло 0,13 МПа, а во всех остальных опытах 0,12 МПа.измерений теплоотдачи представлены на рис.3.3.68РезультатыРис. 3.1 Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка для конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанолна горизонтальных трубах:а – точки 1 – сv=0; 2 – сv=0.8%; 3 – данные [28] для сv=1,1%; 4 – кривая, рассчитаннаяпо теории Нуссельта для cv=0;б – точки 1 – сv=3.9%; 2 – данные [28] для сv=5.4%;3 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=0;в – точки 1 – сv=8.7%; 2 – данные [28] для сv=10.0%;3 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=069Рис.

3.2. Зависимость плотности теплового потока на стенке от температурногонапора пар-стенка для конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанолна горизонтальных трубах:а – точки 1 – сv=0; 2 – сv=0,8%; 3 – данные [28] для сv=1,1%; 4 – кривая, рассчитанная потеории Нуссельта для cv=0;б – точки 1 – сv=3,9%; 2 – данные [28] для сv=5,4%;3 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=0;в – точки 1 – сv=8,7%; 2 – данные [28] для сv=10,0%; 3 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=070Видно, что при конденсации водяного пара было получено хорошеесогласование данных по теплоотдаче с расчетом по формуле Нуссельта [56] споправками Д.А. Лабунцова на переменность физических свойств конденсатаи на волнообразование [57]:3λж  ρж  g  r  c   ж  = 0,943  4   ж   Ts  Tc   l  ж   с 3где=,пл,0,1252 v ,(3.2)а пленочное число Рейнольдсапл=∙∙.жНа рис.3,3, б и в, при сv= 5,5 ÷ 16 % можно отметить следующие друг задругом участки зависимости коэффициента теплоотдачи от температурногонапора пар-стенка (кривой конденсации):- первый участок, характеризующийся относительно низкими значениямикоэффициентатеплоотдачи,обусловленнымизначительнойрольюдиффузионного термического сопротивления;- второй участок, на котором при сравнительно небольшом изменениитемпературного напора происходит стремительный рост коэффициентатеплоотдачи, что связано как с уменьшением диффузионного термическогосопротивления, так и с переходом от пленочного режима конденсации кпсевдокапельному;- третий участок, где коэффициент теплоотдачи снижается до значений,практически соответствующих пленочной конденсации паровой смеси.Для малых концентраций этанола (cv<1%) наблюдается толькоуменьшение коэффициента теплоотдачи с ростом ΔТ, т.к.

первый и второйучастки кривой конденсации соответствуют весьма малым значениям ΔТ,которые невозможно было реализовать в опытах (рис.3.3,а). При малыхконцентрациях этанола (cv = 0,4 ÷ 1,9%) и температурных напорах около 5Кбыли получены значения коэффициентов теплоотдачи, достигающие90кВт/(м2К), что в 4,5 раза больше, чем при пленочной конденсации чистого71водяного пара (см. рис.3.3, а). Опытные данные работы [31] по конденсациипаровой смеси вода-этанол на вертикальной пластине для концентрацииэтанола в паре 1% и 3% и скорости смеси 0,3 м/c, представленные на рис. 3.3,а, согласуются с результатами наших измерений.На рис.

3.4 показаны зависимости плотности теплового потока оттемпературного напора пар-стенка. С ростом концентрации этанола в смесина этой зависимости уже при cv=0,8% появляется максимум (рис. 3.4, а). Приcv выше 12% максимум в зависимости qc от ∆переходакрежимупсевдокапельнойисчезает: сразу послеконденсациитепловойпотокпрактически перестает зависеть от ∆ , т.е. коэффициент теплоотдачи здесьобратно пропорционален температурному напору пар-стенка (рис. 3.4, б, в).Наибольшее значение плотности теплового потока составило около 700кВт/м2 при cv=7,1%.3.3. Анализ опытных данных по теплоотдачеСравнение опытных данных по теплоотдаче при псевдокапельнойконденсации паровой смеси вода-этанол с cv=0,8% для различной ориентациитрубы (рис.3.5) показало, что при небольших температурных напорах (ΔТ<10K) коэффициент теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубезаметно ниже, чем на вертикальной.