Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 2

Результаты исследования (как первичныеданные, так и обобщающие зависимости) могут быть использованы приразработкеипроектированииновыхтиповконденсаторовпарасинтенсификацией теплообмена за счет работы в режиме псевдокапельнойконденсации, предназначенных для энергетики и различных отраслейпромышленности. Экспериментальные данные могут также использоватьсядля апробации новых методов теоретического расчета теплообмена приконденсации бинарных паровых смесей.На защиту выносятся:-результатыэкспериментальногоисследованиятеплообменаприконденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол нагладкой горизонтальной трубе, проведенного в широком диапазонеизменения температурного напора пар-стенка при малых массовыхконцентрациях этанола (от 0,8 до 8,7% в паровой фазе);-результатыэкспериментальногоисследованиятеплообменаприконденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол нагладкой вертикальной трубе, проведенного в широком диапазоне изменениятемпературного напора пар-стенка при малых массовых концентрацияхэтанола (от 0,4 до 16% в паровой фазе);-результатыэкспериментальногоисследованиятеплообменаприконденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол нагоризонтальных оребренных трубах с различными расстояниями междуребрами;- расчетные зависимости, полученные при обобщении экспериментальныхданных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации практическинеподвижной паровой смеси вода-этанол на гладких трубах совместно сданными других исследований.7Апробацияработы.Основныеположенияирезультатыдиссертационной работы изложены и обсуждены: на 18-й Школе-семинаремолодыхученыхА.И.Леонтьеваиспециалистов«Проблемыподруководствомгазодинамикиакад.теплообменавРАНновыхэнергетических технологиях», Звенигород, 2011; на Международнойнаучной школе «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетическихтехнологиях», Москва, 2011г.; на 17-й и 18-й Международных научнотехнических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,электротехника и энергетика», Москва, 2011, 2012 гг.; на Национальнойконференции «Повышение эффективности, надежности и безопасностиработы энергетического оборудования ТЭС и АЭС», Москва, 2012 г.; на 12й Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросытеплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2012 г.Публикации.

Содержание диссертационной работы изложено в статьяхидокладах,опубликованныхавторомвсоавторстве,втрудахотечественных и международных конференций, список которых приведенвыше. Основное содержание работы представлено в двух публикациях вжурналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналови изданий ВАК.ЛичныйвкладАвторомавтора.экспериментальная установкадиссертациисозданас автоматизированной системой сбора иобработки информации и управления экспериментом, предназначенная дляисследования теплообмена при конденсации паровых смесей на наружнойповерхности гладких и оребренных труб; разработаны методы измерениякоэффициентов теплоотдачи при псевдокапельной конденсации бинарныхпаровых смесей.

Проведено экспериментальное исследование теплообменапри конденсации паровой смеси вода – этанол на гладких и оребренныхтрубах в широком диапазоне изменения температурного напора пар-стенка8при малых концентрациях этанола в смеси. Выполнено обобщение опытныхданных и получены зависимости, рекомендуемые для расчета теплоотдачи.Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 147 страницсостоит из введения, четырех глав, приложений и заключения, содержащегоосновные выводы по работе.

Список цитируемых источников составляет 70наименований.91.ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПСЕВДОКАПЕЛЬНОЙ КОНДЕНСАЦИИБИНАРНЫХ ПАРОВЫХ СМЕСЕЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)1.1.Непленочные режимы конденсации бинарных паровых смесейПри конденсации бинарных паровых смесей веществ, неограниченносмешивающихся в жидкой фазе, режим течения конденсата не всегдаявляется пленочным, даже если процесс образования конденсата протекаетна хорошо смачиваемой поверхности.

Впервые это было отмечено в 1961 г.Мирковичем и Миссеном [1], которыеизучалипроцесс конденсациинескольких бинарных паровых смесей органических веществ на поверхностивертикального цилиндра. Для паровых смесей пентан-метанол и пентанметилендихлоридзаданногосоставанаблюдалсякапельныйрежимконденсации, который при увеличении температурного напора между пароми стенкой (∆Т) сменялся полосообразным или ручейковым, а затемпленочным. Было также обнаружено, что при заданном значении ∆Тувеличение концентрации пентана в смеси приводило к переходу откапельной конденсации к пленочной. Таким образом, при некоторыхусловиях наблюдаемый процесс конденсации паровых смесей неограниченносмешивающихся в жидкой фазе веществ на смачиваемой поверхности былпохожнакапельнуюконденсациючистогопаранагидрофобнойповерхности.Исследуя процесс конденсации паровых смесей вода-этанол и водаметанол на горизонтальной трубе,Фуджи с сотр.

[2] тоже обнаружилизначительное различие структуры потока конденсата в зависимости отхарактеристик процесса (состава смеси, давления и плотности тепловогопотока). При относительно низких концентрациях этанола и небольшихтепловых потоках режим конденсации был капельным. С увеличениемконцентрации этанола на поверхности пленки появлялись нерегулярные10полосы, а также «кольца» - сравнительно регулярно расположенныевозвышения.

При самых высоких концентрациях этанола, соответствующихсоставу смеси, близкому к азеотропному, наблюдалась практически гладкаяпленка конденсата.Гото и Фуджи [3] провели исследование процесса конденсации смесейR114-R11 и R12-R114 на горизонтальной трубе. Ими были представленыфотографии, из которых следует, что при увеличении концентрациинизкокипящего компонента смеси пленочный режим конденсации переходилв «кольцевой», который затем вновь сменялся пленочным.Подробное описание непленочных режимов течения конденсата приконденсации паровых смесей для случая смесей этанол-вода, ацетон-вода иизопропанол-вода на горизонтальной трубе представлено в работах ВеличкоГ.Н.

и др. [4-6]. В экспериментах со смесью этанол-вода наблюдались«серьезные нарушения пленочного характера стекания конденсата» уже примассовой концентрации этанола в конденсате около 1%, а при концентрацииэтанола в конденсате 4-6% происходило полное разрушение пленки, иконденсация имела «устойчивый капельный характер». При этом былозамечено, что промежутки между каплями заняты тонкой пленкойконденсата, из которой конденсат подсасывается в капли при их росте.Эксперименты Величко Г.Н.

былипроведены в широком диапазонеизменения концентрации смеси, но основное внимание уделялось областивысоких концентраций низкокипящего компонента смеси (более 30% в паре),в которой наблюдается наибольшее число режимов стекания конденсата. Приувеличении концентрации этанола или тепловой нагрузки происходила сменарежимов: капли меняли форму со сферической на полусферическую соснованием неправильной формы, затем наблюдались капельно-ручейковые,пленочно-ручейковые и пленочные режимы стекания конденсата.11В 1968г.

Форд и Миссен [7] впервые связали образование непленочныхрежимов конденсации бинарных паровых смесей с проявлением эффектаМарангони. Если контактирующий с паром участок поверхности жидкости сотносительно высоким поверхностным натяжением находится также вконтакте с участком жидкости с меньшим поверхностным натяжением, тоучасток с более высоким поверхностным натяжением спонтанно сжимается,свободная энергия поверхности уменьшается, в результате чего в жидкостивозникает конвекция.

Форд и Миссен ввели критерий устойчивости пленкиконденсата. Они показали, что если dσ/dδ ≤ 0 (здесь σ - коэффициентповерхностного натяжения, δ - толщина пленки), то пленка конденсатаустойчива по отношению к возмущениям на ее поверхности, а при dσ/dδ>0пленка не является устойчивой, т.е. возмущения, нарастая, могут приводить кее разрушению и появлению непленочных режимов течения конденсата илипереходу к капельной конденсации.Анализ данных, приведенных в литературе, показывает, что принебольшойразностиповерхностныхнатяженийкомпонентовсмеси∆ (например, для смеси метанол-этанол, где ∆ = 0,00057 Н/м при 200С)наблюдается лишь пленочная конденсация.

С увеличением этой разностиэффект Марангони проявляется все сильнее, при этом растет и числорежимов конденсации. Так, для смеси фреонов R114-R11 (∆ = 0,007 Н/м) в[3] наблюдались лишь кольцевой и пленочный режимы, в то время как длясмесей воды с органическими жидкостями, например, для смесей этанолвода (∆ = 0,050 Н/м), изопропанол-вода (∆ = 0,052 Н/м) число режимовконденсации, согласно данным [4], достигало пяти.Режимы непленочной конденсации паровой смеси, при которых конденсатнаходитсянапсевдокапельнойохлаждаемойповерхностиконденсацией.ввидеПсевдокапельнаякапель,называютконденсацияимеет,пожалуй, два основных отличия от «классической» капельной конденсациичистого пара на гидрофобной поверхности.

Во-первых, как показали12измерения [8], при любых режимных параметрах процесса псевдокапельнойконденсации паровой смеси на стенке всегда имеется пленка жидкоститолщиной не менее 1 мкм, что на несколько порядков больше, чем прикапельной конденсации чистого пара на гидрофобной поверхности. Вовторых,какужеотмечалось,припсевдокапельнойконденсациинаблюдаются разнообразные виды структуры потока конденсата, чего нельзясказать о капельной конденсации. Поскольку процесс псевдокапельнойконденсации связан с проявлением эффекта Марангони, для него широкоприменяетсятермин«конденсацияМарангони».Псевдокапельнуюконденсацию иногда также называют капельной конденсацией Марангони.Наиболее полное объяснение физических процессов, имеющих место приконденсации Марангони, котороебыло дано в работе Хиджикаты ссоавторами [9], заключается в следующем. При конденсации таких бинарныхсмесей, где менее летучий компонент имеет большее поверхностноенатяжение (в литературе их называют «позитивными системами»), пленкаконденсатаявляетсяпотенциальнонеустойчивой.Любая,даженезначительная ее деформация (волнообразование на поверхности пленки)приводит к тому,что в том месте, где пленка тоньше (во впадине),температура на ее поверхности ниже, чем на гребне волны (рис.