Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 12

С ростом83∆T термическое сопротивление парового диффузионного слоя сначаланемного снижается, а затем остается практически неизменным. Термическоесопротивление жидкой фазы возрастает с увеличением ∆T, причемзависимость Rк от ∆T близка к линейной. При максимальном ∆T≈ 38Кполучено, что Rд/R=0,02, а Rк/R=0,98, т.е. термическое сопротивлениежидкой фазы является преобладающим.Для концентрации cv=16% при минимальном для ниспадающей частикривой конденсации значении ∆T=13К термическое сопротивление паровогодиффузионного слоя существенно выше, чем термическое сопротивлениеcv=0,8%,жидкой фазы (Rд/R=0,72, Rк/R=0,28).

Как и принаблюдается практически линейная зависимостьRк отздесь тоже∆T, аRк слабоизменяется с ростом ∆T. При ∆T =19К вклад термических сопротивлений Rди Rк в суммарное термическое сопротивление одинаков. Для максимальногозначения ∆T=41К доля Rк в полном термическом сопротивлении составляет76%.3.6. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при конденсациипаровой смеси вода-этанол на гладких трубахГоризонтальная труба. Перейдем теперь к обобщению опытныхданных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации. Для полученияобобщающей зависимости для конденсации на горизонтальной трубеиспользовались не только наши данные, но и результаты работы Мураси ссотр.[28],соответствующие,по даннымвизуальных исследований,псевдокапельному режиму конденсации на большей части периметра трубы(ниспадающая часть кривой конденсации).

Напомним, что наши опытыпроводились с практически неподвижной паровой смесью при трехзначениях массовой концентрации этанола паровой фазе cv: 0,8, 3,9 и 8,7%.Давление во всех опытах поддерживалось равным 0,12 МПа.84Рис.3.10. Зависимость термического сопротивления жидкой фазы и термическогосопротивления парового диффузионного слоя от температурного напора пар-стенка вопытах по конденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе:а - cv=0,8%; б - cv=16%; 1 - Rк; 2 - Rд85Рис.3.11. Зависимость от температурного напора пар-стенка вкладов термическихсопротивлений жидкой фазы и парового диффузионного слоя в полное термическоесопротивление в опытах по конденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальнойтрубе:а - cv=0,8%; б - cv=16%; 1 - Rк/R; 2 - Rд/R86Температурный напор между паром и стенкой изменялся от 5 до 45 К.ЭкспериментыМурасиссотр.[28]быливыполненывусловияхвынужденного поперечного обтекания паровой смесью горизонтальнойтрубы.

В опытном участке поддерживалось атмосферное давление, значенияcv изменялись от 1,1 до 10%, а температурный напор между паром и стенкой- от 3 до 50 К. Для обобщения мы использовали данные [28] для скоростипаровой смеси 0,15 м/с (минимальной из реализованных в этой работе).Кроме того, в обобщенном виде были представлены только те опытные точкиработы [28] и нашей работы, которые лежали наниспадающих частяхкривых конденсации, т.к. по данным визуальных исследований именно они восновном соответствовали режиму псевдокапельной конденсации.По опытным данным были определены числа подобия, применявшиесяранее в работе [6]:σ2σ 2αk  σ  Tiλж  ΔTкνжc .Nu =; Re=; Pr= ; π k =λж  r  ρж  ΔTкr  жaжr  μ ж2Здесьиспользуютсяследующиесвойствасмеси: 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.Коэффициенты теплоотдачи∆Tк=Ti - Tcрассчитывались по разности температур(т.е. соответствовали термическому сопротивлению жидкойфазы).Физические свойства жидкой смеси вода-этанол вычислялипометодикам, приведенным в [60], при температуре межфазной границы Ti,которую полагали равной температуре кипения при заданном составе смеси иопределяли по данным [53]. При этом теплофизические свойства воды иэтанолаопределяли по [61].

Диапазон изменения числа Pr был невелик,87поэтому, принимая во внимание результаты работ [4] и [39], степень причисле Pr приняли равной 1/3. Степень при числебыла получена равной0,3, т.е. была такой же, как в работе [6].На рис. 1 опытные данные представлены в виде:Nu F (Re).  Pr 1 / 30 ,3kРис.3.12. 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 [22]: 4 - cv =1,1%; 5 - cv =5,4%; 6 - cv =10%;7 – обобщающая зависимость (3.3)В итоге было получено соотношение, рекомендуемое для расчетакоэффициента теплоотдачи:Nu = 1, 61 10 7  Re 1,49   k0,3  Pr1/3(3.3)Зависимость (3.3) описывает 93% экспериментальных точек с разбросом±25%.

Опытным данным соответствуют следующие диапазоны изменения88чисел подобия: Re= 9∙10-4…5∙10-2; π =0,039…0,208; Pr =1,69…1,79. С ростомконцентрации этанола в смеси кривые конденсации смещаются в сторонуболее высоких температурных напоров. Поэтому диапазон изменения числаRe (от Remin до Remax), в котором проводились опыты в псевдокапельномрежиме конденсации, зависит от концентрации этанола в смеси (рис.3.13). Поопытным данным были получены следующие соотношения:Remin =1,2 ∙10-3+0,12cv ; Remax =0,051 - 0,29cv.Здесь cv изменяется в пределах 0,008…0,087.Рис.3.13.

Границы диапазона изменения числа Re при псевдокапельной конденсациипаровой смеси вода-этанол на горизонтальных трубах:1- зависимость Remin(cv)2- зависимость Remax(cv). Точки – опытные данные работы [22] и настоящейработыОтметим, что зависимость~,соответствуетк ~∆ к,, т.е.коэффициент теплоотдачи при псевдокапельной конденсации с ростомтемпературного напора снижается быстрее, чем при пленочном режимеконденсации.89Рассчитав по формуле (3.3) коэффициент теплоотдачик,можно найтикоэффициент теплоотдачи α, соответствующий полному термическомусопротивлению:=к.Вертикальная труба. Тот же подход был применен для обобщения опытныхданных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации паровой смесивода-этанол на вертикальной трубе. Опыты проводились с практическинеподвижной паровой смесью при изменении массовой концентрацииэтанола в паровой фазе от 0,4 до 16%.

Давление паровой смеси составляло0,12-0,13 МПа, температурный напор между паром и стенкой изменялся от 2до 48 К. Как и для конденсации на горизонтальных трубах, обобщающаязависимость была получена только для ниспадающихчастей кривыхконденсации, где, согласно данным проводившейся нами скоростнойфотосъемки, в широком диапазоне изменения температурного напора междупаром и стенкой наблюдался псевдокапельный режим конденсации паровойсмеси.Совместно с этими опытными даннымиобобщались результатыработы [31], где при атмосферном давлении проводились опыты поконденсации паровой смеси вода-этанол навертикальной пластине.Массовая концентрация этанола в паре составляла 1% и 3%, продольнаяскорость смеси относительно пластины не превышала 0,3 м/c.Результаты обобщения опытных данных представлены на рис. 3.14.Для расчета теплоотдачи рекомендуется зависимость:Nu = 2,14 10 8  Re 1,97   k0,3  Pr 1/3 ,(3.4)которая с разбросом ±30% обобщает 90% опытных точек.

Диапазоныизменения чисел подобия: Re= 7∙10-4…4,5∙10-2; π =0,016…0,23; Pr =1,7…2,1.90Рис.3.14. 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 [31]: 3 - cv =1%; 5 - cv =3%.11 - обобщающая зависимость (3.4)Рис.3.15. Границы диапазона изменения числа Re при псевдокапельной конденсациипаровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе и вертикальной пластине:1- зависимость Remin(cv); 2- зависимость Remax(cv); точки – опытные данные работы[31] и настоящей работы91Как и при конденсации на горизонтальной трубе, диапазон изменения числаReдля режима псевдокапельной конденсации зависит от концентрацииэтанола в смеси (рис.3.15).Границы этого диапазона определяются посоотношениям: Remin =3,6 ∙10-3+0,014cv; Remax =0,043 - 0,096cv.

При этом cvизменяется в пределах 0,004…0,16.Показатель степени при числе Re в формуле (3.4), равный -1,97,к ~∆ ксоответствует зависимости,. Такимобразом, в условияхпсевдокапельной конденсации на вертикальной трубе и на вертикальнойпластинекоэффициенттеплоотдачигораздосильнеезависитоттемпературного напора, чем на горизонтальной трубе. Отметим, что в опытах[10] по конденсации на вертикальной пластине паровой смеси вода-этанол,движущейсясоскоростью0,4м/c,приотносительнонебольшихконцентрациях этанола в смеси (сv<12%) ниспадающая часть кривой-0,9конденсации примерно соответствует зависимости αк ~∆Tк , что хорошосогласуется с результатами нашей работы.

Однако в этом диапазонеизменения cv коэффициенты теплоотдачи на ниспадающей части кривойконденсации при одинаковых cv и ∆Tк в работе [10] были на 40-50% выше,чем наши данные, что связано с сильным влиянием скорости паровой смесина теплоотдачу при псевдокапельной конденсации, особенно при малыхконцентрациях этанола в смеси. При самых больших температурныхнапорах, когда псевдокапельный режим течения конденсата переходит впленочный, различие в значенияхк,полученных нами и авторами [10],может быть также связано с тем, что в работе [10] длина пластинысоставляла 20 мм, в то время как в нашей работе длина участка конденсациибыла равной 100 мм.Представленныевэтойглаверезультатыэкспериментовиобобщающие зависимости для расчета теплообмена при псевдокапельнойконденсации паровой смеси вода-этанол на горизонтальной и вертикальнойгладких трубах опубликованы в работах [62-69].924.