Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 11

Это можно объяснить тем, что в данныхусловиях на верхней части горизонтальной трубы режим конденсации былпсевдокапельным, а на нижней ее части – пленочным (это подтверждаетсяданными визуальных наблюдений, приведенными в работах [4] и [28]), в товремя как при конденсации на вертикальной трубе при сочетании небольшихcv и ΔТ нами наблюдался только псевдокапельный режим конденсации. СростомΔТкоэффициенттеплоотдачиприконденсациисмесинавертикальной трубе быстро снижается из-за перехода от псевдокапельногорежима конденсации к пленочному и при ΔТ >20K становится меньше, чемпри конденсации на горизонтальной трубе, а при ΔТ =38K его значение72Рис. 3.3 Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанолна вертикальной трубе:а - точки 1 – cv=0; 2 – cv=0,4%, 3 – cv=0,8%; 4 – cv=1,9%.

Данные [31] для конденсациина вертикальной пластине: 5 - сv=1 %; 6 – сv=3%;7 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=0;б - точки 1 – cv=5,5%; 2 – cv=7,1%, 3 – cv=12%; 4 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=0;в – точки 1 – cv=14,4%; 2 – cv=16%; 3 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта длясv=073Рис. 3.4 Зависимость плотности теплового потока на стенке от температурногонапора пар-стенка при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанолна вертикальной трубе:а - точки 1 – cv=0; 2 – cv=0,4%, 3 – cv=0,8%; 4 – cv=1,9%. Данные [31] для конденсациина вертикальной пластине: 5 - сv=1 %; 6 – сv=3%;7 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=0;б - точки 1 – cv=5,5%; 2 – cv=7,1%, 3 – cv=12%;4 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для сv=0;в – точки 1 – cv=14,4%; 2 – cv=16%; 3 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта длясv=074Рис.

3.5. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на трубах:точки 1 – сv=0,8% (вертикальная труба); 2 – сv=0,8% (горизонтальная труба);данные расчета по формуле Нуссельта для cv=0: 3 – вертикальная труба;4 –горизонтальная трубапрактически совпадает с рассчитанным по теории Нуссельта для пленочнойконденсации чистого водяного пара.Как было отмечено в главе 1, в условиях псевдокапельной конденсациидвижущейся паровой смеси вода-этанол на вертикальной пластине и нагоризонтальной трубе коэффициенты теплоотдачи существенно различаютсямежду собой.По данным, приведенным в [28], видно, что это различиеособенно велико при малых концентрациях этанола в паре и небольшихтемпературных напорах пар-стенка.

Так, при cv = 1% и ΔТ≈5К и скоростипаровой смеси Vп=0,35 м/с коэффициент теплоотдачи в опытах [29],проведенных на вертикальной пластине, составил около 125 кВт/м2, а вопытах [28], где процесс конденсации происходил на горизонтальной трубе,при близких значениях cv , ΔТ и Vп коэффициент теплоотдачи почти был в 2раза ниже – около 63 кВт/м2. С ростом cv и ΔТ различие коэффициентовтеплоотдачи, полученных в опытах на вертикальной пластине и нагоризонтальной трубе, уменьшается.

Таким образом, показанные на рис. 3.575результаты, полученные нами для конденсации практически неподвижнойпаровой смеси, в качественном отношении вполне согласуются с даннымиработ [28] и [29], где опыты выполнялись в условиях движущейся паровойсмеси вода-этанол. Отметим, что как в работе В.П. Исаченко [39], так и ввесьма содержательной обзорной статье Роуза [37] существенного влиянияформы и ориентации поверхности на теплоотдачу в условиях капельнойконденсации чистого водяного пара отмечено не было. По данным работы[58], при капельной конденсации водяного пара на вертикальной пластинекоэффициент теплоотдачи был на 15-20% выше, чем на горизонтальнойтрубе.Из опытных данных, представленных на рис.3.6, следует, чтотемпературный напор пар-стенка, при котором начинается рост теплоотдачи,т.е. происходит переход ко второму участку кривой конденсации (ΔТн.р.),заметно изменяется с ростомконцентрации этанола в смеси и близок кразности между температурами конденсации и кипения для данного составасмеси.

Видно, что эти данные, полученные для практически неподвижнойпаровой смеси вода-этанол, удовлетворительно согласуются с результатамиработы [10] по конденсации смеси на вертикальной пластине при скоростях0,4 и 1,5 м/с. Это позволяет предположить, что значение ΔТн.р. в основномопределяется составом смеси.

В отличие от пленочной конденсации чистогопара, при псевдокапельной конденсации паровой смеси даже сравнительнонебольшое увеличение скорости паровой фазы приводит к заметному ростутеплоотдачи, что связано как с уменьшением толщины диффузионного слоя,так и с воздействием потока паровой смеси на капли, находящиеся наповерхности весьма тонкой пленки жидкости, покрывающей обтекаемуюповерхность.Этоподтверждаетсясравнениеммаксимальных значений коэффициента теплоотдачиполученныхнамипри конденсациипрактически неподвижной паровой смеси вода-этанол различного состава навертикальной трубе с данными работы [10], где скорость потока смеси припродольном обтекании вертикальной пластины составляла 0,4 м/c (рис.3.7).76Рис.

3.6. Зависимость температурного напора пар-стенка, соответствующего началурезкого роста теплоотдачи, от концентрации этанола в паре:точки 1 – вертикальная труба, неподвижный пар;данные [10] для вертикальной пластины: 2 –Vп=0.4 м/с; 3 - Vп =1.5 м/с;кривая 4 – разность между температурами конденсации и кипения, рассчитанная поданным [52]Рис.

3.7. Зависимость максимального коэффициента теплоотдачи от концентрацииэтанола в паре:1 – вертикальная труба, неподвижная паровая смесь;2 – данные [10] для вертикальной пластины при Vп=0.4 м/с;773.4. Результаты визуального исследования и скоростной фотосъемкипроцесса псевдокапельной конденсацииЧерез смотровые окна, расположенные на рабочем участке, проводилосьнаблюдение за гидродинамической картиной на поверхности опытной трубкии выполнялась скоростная фотосъемка участка трубы, на котором проходилпроцесс конденсации. На рис.

3.8 представлена кривая конденсации,полученная на вертикальной трубе для cv=5,5 %; далее размещена серияфотографий, сделанных при различных значениях температурного напора,соответствующих точкам, отмеченным буквами на рис. 3.8. Точка Анаходится напервом участке кривой конденсации, где температурныенапоры меньше, чем разность температур конденсации и кипения,определенной для данного состава смеси по диаграмме фазового равновесия.На фотографии, соответствующей точке А, отчетливо видны мелкие капликонденсата, т.е. даже при этом сравнительно небольшом температурномнапоре режим уже не является пленочным. Капли растут сравнительномедленно; их можно различить и без использования скоростной фотосъемки.Достигнув отрывного диаметра, капли скатываются с поверхности трубки.При увеличении ∆Т до значений, несколько больших разности температурконденсации и кипения, т.е.

на участке с резким увеличением теплоотдачи,капли увеличиваются в размерах и имеют полусферическую форму (точка В).При дальнейшем увеличении температурного напора (от точки С к точке D)средний размер капель и интенсивность их удаления с поверхностивозрастают. Затем (участок между D и Е) скатывающиеся капли сливаются внерегулярные ручейки. При сравнительно больших ∆Т (между точками Е иF) происходит слияние ручейков и образуется сильно возмущенная пленка,которая при дальнейшем увеличении температурного напора (при ∆Т болеевысоких, чем в точке F) постепенно переходит в гладкую пленку.

В этойобласти, как следует из рис.3.8, коэффициенты теплоотдачи уже близки кзначениям, рассчитанным по теории Нуссельта для пленочной конденсациичистого водяного пара на вертикальной трубе.78Рис. 3.8. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации паровой смеси вода-этанол с сv=5,5% на вертикальной трубе.Точки A, B, C, D, E и F соответствуют значениям ∆Т, при которых сделаны приведенныениже фотографии; сплошная кривая – результат расчета по теории Нуссельта для cv=079А)В)80С)D)81E)F)823.5.

Термические сопротивления в процессе псевдокапельнойконденсацииПри конденсации паровой смеси полное термическое сопротивление=состоит из двух частей, одна из которыхд=- термическоесопротивление парового диффузионного слоя, а другаяк=-термическое сопротивление жидкой фазы.

Здесь Ti – температура межфазнойповерхности. Как показали расчеты, проведенные по методике, изложеннойв [58],при температурных напорах пар-стенка,ниспадающимчастямкривыхконденсации,составсоответствующихконденсатабылпрактически равен составу пара, а Ti была равна температуре кипения,определенной по диаграмме фазового равновесия при заданном составесмеси (рис.3.9).Рис. 3.9. Часть диаграммы фазового равновесия смеси вода-этанолдля давления 0,12 МПаДля ниспадающих частей кривых конденсации, полученных в опытахна вертикальной трубе при cv=0,8% и cv=16%, на рис.

3.10 а,б представленоизменение Rд и Rк, а на рис. 3.11 а,б – отношений Rд/R и Rк/R в зависимостиот температурного напора пар-стенка.Для концентрации cv=0,8% при минимальном ∆T ≈2,5К термическиесопротивления Rд и Rк близки между собой (Rд/R=0,4, а Rк/R =0,6).