Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 13

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНАПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВОЙ СМЕСИ ВОДА - ЭТАНОЛНА ОРЕБРЕННЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХПредставленныевпредыдущей главерезультатыисследованиятеплоотдачи при псевдокапельной конденсации практически неподвижнойпаровой смеси вода-этанол на гладких трубах показывают, что при малойконцентрации в смеси низкокипящего компонента (этанола) и небольшихтемпературныхнапорахпар-стенкаудаетсяполучитькоэффициентытеплоотдачи в несколько раз большие, чем при пленочной конденсациичистого водяного пара. Однако с увеличением температурного напора парстенка происходит снижение коэффициентов теплоотдачи за счет переходакапельного режима конденсации в пленочный.

Увеличение концентрацииэтанола в смеси вначале приводит к некоторому росту коэффициентовтеплоотдачи, а затем за счет роста диффузионного сопротивления в паре ониснижаются. Все этоинтенсификацииприводит к необходимости разработки способовтеплоотдачиприпсевдокапельнойконденсациипрактически неподвижных паровых смесей.Измерение коэффициентов теплоотдачи при конденсации водяного параи паровой смеси вода-этанол на оребренных трубахИсследование теплоотдачи при конденсации паровой смеси водаэтанол было проведено на трех медных трубах с прямоугольнымикольцевыми ребрами.

Диаметр трубок по корням ребер был равен 10,0мм,высота и ширина ребер – 1,0мм, а расстояние между ребрами (s) составляло1,3, 2,0 и 3,0мм. Соответствующие значения степени развития поверхностиза счет оребрения были равны 2,05, 1,8 и 1,6. Все опыты на трубах с s=1,3 мми s=2,0мм проводились при давлении паровой смеси, близком к 0,12 МПа. Натрубе с s=3 мм в опытах при cv=0 и cv=8,7% давление составляло 0,13 МПа, а93при cv=12% и cv=14,5% - 0,15 МПа. Перед началом серии экспериментов поконденсации паровой смеси проводились опыты по конденсации чистоговодяного пара на оребренных трубах.

Результаты этих опытов, проведенныхпри изменении ∆Т от 5К до 32К, представлены на рисунке 4.1. Видно, чтодля оребренных труб с s=1,3 мм и s=2,0 мм зависимости коэффициентатеплоотдачи от температурногонапора практически совпадают, чтосогласуется с результатами проведенных ранее работ - известно, чтокоэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на оребренныхтрубах слабо зависит от расстояния между ребрами, а оптимальное значениеs составляет по разным данным от 1,5 мм [47] до 2,5 мм [48].Рис. 4.1. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации водяного пара на оребренных горизонтальных трубах:точки 1 – s=1,3мм; 2 – s=2,0мм; 3 – s=3,0мм;4 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для конденсации водяного парана трубе с d=10ммПри максимальном s, равном 3,0 мм, разброс опытных точеквозрастает, что можно объяснить тем, что при таком относительно большомрасстоянии между ребрами нарушается регулярный режим стеканияконденсата с нижней части трубы.

Отметим, что коэффициенты теплоотдачи94при конденсации чистого водяного пара на оребренных трубах примерно в 2раза выше, чем рассчитанные по теории Нуссельта для конденсации нагладкой трубе с наружным диаметром 10 мм, т.е. равным диаметруоребренных труб, определенномупо корням ребер. Коэффициентытеплоотдачи при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанол наоребренных трубах, представленные на рис. 4.1 и всех следующих рисунках,также относили к поверхности гладкой трубы с наружным диаметром 10 мм.Опытные данные, полученные при конденсации водяного пара,сравнивались с результатами расчетов по методикам Роуза [47] иСринивасана с сотр.

[48]; результаты представлены на рис.4.2 – 4.4.Отметим, что наши данные при s=1,3 мм и s = 2,0 мм хорошо согласуются срасчетом по [48], причем тем лучше, чем меньше расстояние между ребрами.Опытные точки для s=3,0 мм также располагаются ближе красчетнойкривой [48], чем к результату расчета по [47].После завершения серии опытов по конденсации чистого водяного парабыли проведены эксперименты по конденсации паровой смеси вода-этанолна тех же трех оребренных трубах при значениях массовой концентрацииэтанола в паре cv=8,7%, 12,0% и 14,5%. На рис.

4.3 представленызависимостикоэффициента теплоотдачи, измеренного с использованием«прямого» метода, от температурного напора пар-стенка для каждойконцентрации этанола в паре и при разных расстояниях между ребрами. Этирезультаты опубликованы нами в работах [62, 64-69].Как и при конденсации паровой смеси на гладких трубах, каждуюкривую конденсации можно условно разделить на три участка: 1)участок спреобладанием диффузионного сопротивления в паровой фазе; 2)участок, накотором наблюдается резкий рост теплоотдачи за счет перехода кпсевдокапельному режиму конденсации; 3)участок, где коэффициенттеплоотдачи снижается до величины, соответствующей пленочному режимуконденсации смеси.95Рис.

4.2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации водяного пара на оребренных трубах:а - s=1,3 мм; б – s=2,0 мм; в – s=3,0 мм1 – опытные данные; 2 – кривая, рассчитанная по методике [48], 3 – кривая,рассчитанная по методике [47]96Рис. 4.3. 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 сv=097При фиксированном расстоянии между ребрами увеличение сvприводит к повышению температурного напора ∆Тн.р., при которомначинается второй участок кривой конденсации.

Максимальное значениекоэффициента теплоотдачи с ростом сv понижается, и ему соответствуют всебольшие значения ΔТ.Начало резкого роста теплоотдачи, так же как при конденсациипаровой смеси вода-этанол на гладких трубах, соответствует достижениютемпературным напором между паром и поверхностью теплообменазначения, равного разности температур конденсациии кипения надиаграмме фазового равновесия (рис. 4.4).Рис. 4.4. Зависимость температурного напора, 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 – зависимость разности междутемпературами конденсации и кипения от состава смесиПри анализе результатов, представленных на рис.

4.5, можно заметить,что в диапазоне изменения температурного напора от 8 до 20 К теплоотдачапри псевдокапельной конденсации смеси с сv=8,7% на оребренной трубе сs=2мм выше, чем при пленочной конденсации чистого водяного пара на тойже оребренной трубе. При ΔТ=8…10 К коэффициент теплоотдачи приконденсации паровой смеси более чем на 50% превышает полученный вопытах по конденсации чистого водяного пара на той же оребренной трубе.98Для ΔТ>20K коэффициенты теплоотдачи при конденсации смеси и чистоговодяного пара примерно равны, и они почти в 2 раза выше, чем припленочной конденсации чистого водяного пара на гладкой трубе.Рис.

4.5. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации паровой смеси вода-этанол и чистого водяного пара наоребренной трубе с s=2,0мм: 1 – cv=8,7%; 2 – cv=0; 3 – кривая, рассчитанная по теорииНуссельта для cv=0На рис. 4.6 показаны зависимости плотности теплового потока оттемпературного напора при реализованных в опытах значениях cv для труб сразнымирасстояниямимеждуребрами.Заисключениемобластиминимальных температурных напоров, где велика роль диффузионноготермическогосопротивления,плотностьтепловогопотокавышерассчитанной по теории Нуссельта для конденсации чистого водяного паранагладкойгоризонтальнойтрубе.Научастке,соответствующемпсевдокапельному режиму конденсации, плотность теплового потоканепрерывно увеличивается с ростом температурного напора, слабо зависит отконцентрации смеси и расстояния между ребрами и при ∆Т≈30К достигает800…850 кВт/м2.

Заметим, что для всех трех значений cv плотность теплового99Рис. 4.6. Зависимость плотности теплового потока от температурного напора парстенка при конденсации паровой смеси вода-этанол на оребренных трубах:a - s=1,3мм; б – s= 2,0 мм; в – s=3,0 мм;точки 1 – сv=8,7%; 2 – сv =12,0%; 3 – сv =14,5%;4 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для конденсации на гладкойгоризонтальной трубе при сv=0100потока на стенке для участка кривой конденсации, соответствующегопсевдокапельному режиму, при s=3,0мм слабее зависит от ∆Т, чем приs=1,3мм и s=2,0мм. Сравнивая результаты, полученные на трубах с разнымшагом оребрения при одинаковой концентрации этанола в паре (рис. 4.7),приходим к выводу, что как и при конденсации чистого водяного пара,наибольшие коэффициенты теплоотдачи соответствуют s=2,0мм, а опытныеточки для s=3ммхарактеризуются большим разбросом, чем данные дляs=1,3мм и s=2,0 мм.

На рис. 4.8 показаны зависимости плотности тепловогопотока от температурного напора пар-стенка при конденсации паровой смесивода-этанол на оребренных трубах для разных концентраций этанола в паре.Отметим, что при s=1,3 мм и s=2,0 мм значения qc заметно выше, чем приs=3,0 мм, особенно для концентрации этанола в паре сv =14,5%.Как было указано в главе 2, при первичной обработке опытных данных потеплоотдаче наряду с «прямым» методом применялся также «косвенный»метод, основанный на представлении общего термического сопротивления ввиде суммы термическихсторонысопротивлений со стороны паровой смеси, соохлаждающей воды и термического сопротивления стенки.Достоинством «косвенного» метода является то, что при его использованиидля получения коэффициента теплоотдачи не требуется знать температурустенки.

На рис. 4.9 для примера показаны результаты сравнения кривыхконденсации, полученных «прямым» и «косвенным» методами в опытах натрубе с расстоянием между ребрами s=2 мм при концентрации этанола в паресv =14,5%. Заметим, что хотя при обработке опытных данных «косвенным»методом была получена более несколько сильная зависимость коэффициентатеплоотдачи от температурного напора для ниспадающей части кривойконденсации,максимальноеразличиеданных,полученныхразнымиметодами, не превышало 15%, что свидетельствует о надежности результатовизмерений коэффициентов теплоотдачи.101Рис. 4.7.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка при конденсации паровой смеси вода-этанол на оребренных трубах:a - сv=8,7%; б - сv =12,0%; в - сv =14,5%;точки: 1 - s=1,3мм; 2 - s= 2,0 мм; 3 - s=3,0 мм;4 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для конденсации на гладкойгоризонтальной трубе при сv=0102Рис. 4.8. Зависимость плотности теплового потока от температурного напора парстенка при конденсации паровой смеси вода-этанол на оребренных трубах:a - сv=8,7%; б - сv =12,0%; в - сv =14,5%;точки: 1 – s=1,3мм; 2 – s= 2,0 мм; 3 – s=3,0 мм;4 – кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для конденсации на гладкойгоризонтальной трубе при сv=0103Рис.4.9.