Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 3

1.1). Приналичии фазового равновесия на поверхности пленки концентрация менеелетучего компонента в жидкости на гребне волны становится больше, чем вовпадине. Возникает градиент поверхностного натяжения, который вызываетдвижение жидкости от впадины к гребню волны, в результате чегоамплитуда волн на поверхности пленки увеличивается. Это приводит кдальнейшему росту разности между температурами гребня волны и впадины,увеличению градиента поверхностного натяжения и в итоге - к разрушениюпленки и переходу к псевдокапельной конденсации.13Рис. 1.1. Механизм разрушения пленки и перехода к псевдокапельной конденсацииПриэтомвлияниеизменениясоставанакоэффициентповерхностного натяжения, как правило, значительно сильнее, чемвлияние изменения температуры поверхности жидкости.

Градиентдавления, связанный с изменением кривизны границы раздела фаз,оказывает сравнительно небольшое воздействие на рассматриваемыйпроцесс.14Вработе[10]проводиласьскоростнаяконденсации паровой смеси вода-этанол навидеосъемкапроцессавертикальной пластине,продольно обтекаемой потоком смеси со скоростью 0,4 м/с. Исследованиепроводилось в широком диапазоне изменения ∆Т и массовой концентрацииэтанола в паре (cv).

Авторами были идентифицированы следующие режимытечения конденсата: пленочный, ручейковый, псевдокапельно-ручейковый ипсевдокапельный. В результате работы была построена карта режимов,представленная на рисунке 1.2.Рис. 1.2. Карта режимов течения конденсатапри конденсации Марангони [10]15При минимальных значениях ∆Т (до 2 - 3К) режим конденсации былпленочным для всех реализованных в опытах значений cv – от долейпроцента до 43%.

С ростом ∆Т происходил переход к ручейковому режиму,который почти сразу же сменялся псевдокапельным. Граничное значение∆Т, соответствующее переходу от ручейкового режима к псевдокапельному,увеличивается с ростом концентрации этанола в смеси. Необходимоотметить, что псевдокапельный режим конденсации, которому соответствуетзаштрихованная область на рис. 1.2, наблюдался при всех значениях cv и ввесьма широкой области изменения ∆Т.Обратный переход от псевдокапельно-ручейкового режима конденсациик пленочному происходил при ∆Т от 15К до 43К, причем при cv<10%значение ∆Т, при котором был отмечен этот переход, резко увеличивалось сростом cv, в то время как при более высоких cv пленочный режим наступалпри ∆Т тем меньших, чем выше была концентрация этанола в смеси.

Все этосвидетельствует о весьма сложном механизме процесса псевдокапельнойконденсации бинарных паровых смесей.1.2.Теплоотдачаприпсевдокапельнойконденсациибинарныхпаровых смесейРассмотрим теперь основные результаты исследований теплоотдачи припсевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей. В ранних работах[2-6,9,11,12] были получены более низкие коэффициенты теплоотдачи, чемпри пленочной конденсации паров веществ, являющихся компонентамисмеси, что объяснялось авторами наличием диффузионного сопротивления впаровой фазе (табл.

1.1). Заметим, что эти исследования, как правило,проводились при сравнительно больших концентрациях низкокипящегокомпонента смеси. В то же времяавторы работы [2] показали, чтотермическое сопротивление конденсата в условиях наблюдаемой ими16псевдокапельной конденсации паровой смеси этанол-вода было в 5-6 разменьше, чем дает расчет по теории Нуссельта для пленочной конденсации.Основные экспериментальные работы по псевдокапельнойконденсации паровых смесей взаиморастворимых жидкостейТабл. 1.1ГодАвторыПаровая смесь(массовая концентрациянизкокипящегокомпонента в паре)1961Миркович и Миссен [1]C5H12(14%)–CH3OHC5H12 (19%)–CH2Cl2атм.1974Величко Г.Н.c сотр. [4-6]этанол (10-100%) -водаатм.1992Хиджиката с сотр.

[9]этанол (4-66%) -водаатм.1992Доминго с сотр. [11]аммиак (90%)-водаатм.вертикальная труба1993Фуджи с сотр. [2]этанол (0-20%) - водаатм.горизонтальная труба1995Фаткуллин Г.Ш. [12]этанол (0,5-96%) - водаатм.горизонтальная труба1995,1998Ютака и Терачи [13,14]этанол (17-71%) - водаатм.вертикальнаяпластина1997Моррисон и Динс [15]аммиак (0,22-0,7%) - водаатм.горизонтальная труба1998Моррисон с сотр.

[16]атм.горизонтальная труба2001Ким с сотр. [17]2001Ютака и Ван [20]этанол (0.5-2%) - водаатм.2004Филпот с сотр. [18,19]аммиак (0.9%) - водаатм.2004Ютака и Ван [10]этанол (0,05-20%) - водаатм.2004Хе с сотр. [31]этанол (1-37%) - водаатм.2006Вемури с сотр. [21]2-этоксиэтанол (1%) - водаатм.горизонтальная труба2007Мураси с сотр. [28]этанол (1,1-10%) - водаатм.горизонтальная труба2008Янг с сотр. [34]этанол (0,5-51%) - воданиже атм.2008Ли с сотр. [35]этанол (0,5-50%) - воданиже атм.2009Ван с сотр. [32]этанол (1-50%) - воданиже атм.2011Чен [26]этанол (10-25%) - водаатм.2013Али с сотр.

[30]этанол (1,1-14,1%) -водаатм. иниже атм.метиламин (0,03-4,3%) вода2-этил-1-гексанол (1%) вода17Давлениеатм.Геометриявертикальныйцилиндргоризонтальная трубагоризонтальнаяпластинапучокгоризонтальных трубвертикальнаяпластинагоризонтальная трубавертикальнаяпластинавертикальнаяпластинавертикальнаяпластинавертикальнаяпластинавертикальнаяпластинагоризонтальнаяпластинагоризонтальная трубаТеплоотдача(по сравнению спленочнойконденсациейводяного пара)не измеряласьснижаласьснижаласьзначительноснижаласьснижаласьзначительноснижаласьувеличивалась(до 200%)увеличивалась(до 13%)увеличивалась(до 30%)увеличивалась(до 30%)увеличивалась(до 450%)увеличивалась(до 34%)увеличивалась(до 700%)увеличивалась(до 350%)увеличивалась(до 47%)увеличивалась(до 350%)увеличивалась(до 650%)увеличивалась(до 700%)увеличивалась(до 400%)увеличивалась(до 300%)увеличивалась(до 400%)Фаткуллиным Г.Ш.

в 1995 г. была защищена диссертация порезультатамэкспериментальногоисследованияпроцессаконденсациипрактически неподвижной паровой смеси этанол-вода на горизонтальнойтрубе[12].Опытыпроводилисьвширокомдиапазонеизмененияконцентрации этанола в паре (0,5 - 96%) и температурного напора парстенка; при этом, как и в других работах, наблюдались различныенепленочные режимы стекания конденсата. С помощью интерферометраизмерялись толщины теплового и диффузионного пограничных слоев в паре,определялась температура на межфазной поверхности. Опытные данные потеплоотдаче, полученные в [12], представляются весьма странными. Дажепри минимальной массовой концентрации этанола в паре (0,5-3%), когдадиффузионное сопротивление, согласно данным [12], было незначительным,а режим конденсации идентифицировался как пленочный с рябью намежфазной границе, автор получил коэффициенты теплоотдачи, которыебыли ниже, чем при конденсации чистого этанола, причем режимыконденсации не были стабильными, что привело к огромному разбросуопытных точек.

Такой результат, на наш взгляд, можно объяснить толькосущественными погрешностями в проведении экспериментов в работе [12].В 1995 и 1998 гг. Ютака и Терачи [13,14] опубликовали результатыопытов по конденсации паровой смеси этанол-вода на короткой (длиной 20мм)продольнообтекаемойвертикальнойпластинепримассовойконцентрации этанола в паре от 17 до 71%. Ими были, по-видимому, впервыеполучены полностью так называемые кривые конденсации, т.е.

зависимостиплотноститепловогопотока(иликоэффициентатеплоотдачи)оттемпературного напора пар-стенка, при заданных значениях концентрацииэтанола, давления и скорости паровой смеси. Результаты, опубликованные в[13,14], существенно отличались от данных всех предыдущих исследований –приминимальныхконцентрацияхэтанолавсмесикоэффициентытеплоотдачи оказались в 2-3 раза выше, чем при конденсации чистого18водяного пара! В результате обработки данных скоростной видеосъемкибылиполученыхарактерныеU–образныезависимостиначальногорасстояния между каплями от температурного напора при различныхконцентрацияхэтанолавпаре,коррелирующиесзависимостямикоэффициента теплоотдачи от температурного напора (рис.1.3).

Эти работывызвали новый интерес к изучению конденсации бинарных паровых смесей,поскольку стало ясно, что очень многие вопросы, связанные с этойпроблемой, ранее не привлекали внимание исследователей. Кроме того,появиласьперспективасозданияновогоспособаинтенсификациитеплообмена при конденсации, связанная с получением весьма высокихкоэффициентов теплоотдачи при капельном режиме конденсации, нореализуемом на смачиваемой поверхности, без применения каких-либоспособов создания лиофобной поверхности теплообмена.В 1997 г.

Моррисон и Динс [15] провели исследование теплообмена приконденсации паровой смеси аммиака и воды на наружной поверхностигладкой горизонтальной трубы при концентрации аммиака в паре от 0,23 до0,88%. Они отметили, что на поверхности пленки конденсата наблюдалисьвозмущения в виде полос, а коэффициенты теплоотдачи были на 13% выше,чем при пленочной конденсации чистого водяного пара. Аналогичныерезультаты были позднее получены Моррисоном с сотр. [16] в опытах поконденсации на горизонтальной трубе паровой смеси метиламина и воды –ими были зафиксированы три непленочных режима конденсации, в томчисле капельный, с увеличением теплоотдачи на 30% по сравнению спленочной конденсацией чистого водяного пара.19Рис.