Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 4

1.3. Изменение коэффициента теплоотдачи и начального расстояния междукаплями в зависимости от температурного напора [13,14]В дальнейших исследованиях теплоотдачи при конденсации бинарныхпаровыхсмесейвеществсдостаточносильноразличающимисякоэффициентами поверхностного натяжения (обычно паровых смесей воды сорганическими жидкостями) также отмечалась интенсификация теплоотдачипо отношению к конденсации чистого водяного пара, если концентрация20низкокипящего компонента смеси была мала. Ким с сотр.

[17] припроведении опытов по конденсации паровой смеси 2-этил-1- гексанол (1%) –вода на пучке горизонтальных труб получили капельный режим конденсациии рост теплоотдачи на 30% по сравнению с расчетом по теории Нуссельтадляпленочной конденсации водяного пара. В статьях Филпотта с сотр.[18,19] опубликованы результаты, которые свидетельствуют об увеличениина 34% локальной теплоотдачи и на 14% средней теплоотдачи вконденсаторе с горизонтальными трубками в условиях конденсации паровойсмеси вода-аммиак по сравнению с расчетом для пленочной конденсациичистого водяного пара. При этом массовая концентрация аммиака в пареизменялась в диапазоне 0,2-0,9%, а режим конденсации, так же как и вупомянутой выше работе [15] по конденсации паровой смеси аммиак-вода наодиночной горизонтальной трубе, заметно отличался от чисто пленочноголаминарного режима конденсации.Позднее (начиная с 2001 г.) Ютакой с сотрудниками была опубликованасерия работ [8,10,20,22-24], в которых весьма детально изучалось влияниеразличных факторов на теплоотдачу при конденсации смеси вода-этанол навертикальной пластине.

Опыты выполнялись только при атмосферномдавлении, но в широком диапазоне изменения температурного напора междупаром и стенкой, при различных значениях концентрации и скоростипаровой смеси, а также при наличии малых добавок неконденсирующегосягаза.Проводиласьрезультатыкоторойскоростнаяпозволиливидеосъемкапроцессаклассифицироватьконденсации,режимытеченияконденсата при различном сочетании режимных параметров и измеритьраспределение капель по размерам, начальное расстояние между каплями, ихотрывные диаметры и другие величины, являющиеся характеристикамимеханизма конденсации бинарной паровой смеси вода-этанол.Весьма важной для понимания механизма процесса псевдокапельнойконденсации является уже упомянутая ранее работа [8].

В ней Ютакой и21Нишикавой были представлены полученные ими при помощи методапоглощения лазерного излучения опытные данные, свидетельствующие отом, что при капельном режиме конденсации паровой смеси этанол-вода настенке постоянно присутствует пленка конденсата с толщиной не менее 1мкм (рис.1.4).Рис. 1.4.

Изменение толщины пленки конденсата в зависимости от времени вусловиях псевдокапельной конденсации [8]Кривые конденсации из работы [10] представлены на рисунке 1.5.Отметим, что чем выше cv, тем больше ∆Т, соответствующий максимумутеплоотдачи. При этом с ростом cv от 0,05% до 1% максимальные значениякоэффициента теплоотдачи на кривой конденсации возрастают, а придальнейшем увеличении cv – снижаются. Для массовой концентрации этанолав паре, равной 33%,при ∆Т<15К за счет влияния диффузионногосопротивления теплоотдача ниже, чем при конденсации чистого водяного22Рис.

1.5. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора(данные работы [10] по конденсации паровой смеси этанол-вода навертикальной пластине)пара, но максимальное значение коэффициента теплоотдачи, котороедостигается при ∆Т около 25К, все же в 2 раза выше, чем при пленочнойконденсации чистого водяного пара. При массовой концентрации этанола впаре около 1% и скорости паровой смеси 1,5 м/c максимальные значениякоэффициентов теплоотдачи, по данным [10], оказались в 8 раз выше, чемпри пленочной конденсации водяного пара, т.е. практически такими же, какприкапельной конденсации водяного пара на гидрофобной поверхности(рис.1.6).23Рис.

1.6. Зависимость от массовой концентрации этанола в паре отношениямаксимального коэффициента теплоотдачи (КТО) к рассчитанному для пленочнойконденсации водяного пара (данные [10])На кривой конденсации, схематично изображенной на рис.1.7, можновыделить отдельные участки.Участок АВ (по ∆Т - область I) характеризуется слабо изменяющимся взависимости от ∆Т и относительно низким значением коэффициентатеплоотдачи,чтообусловленовысокимдиффузионнымсопротивлением паровой фазы. С увеличениемтермическим∆Т плотность тепловогопотока здесь растет по линейному закону.На участке ВС ( область II) при сравнительно небольшом изменении ∆Тпроисходит стремительный рост коэффициента теплоотдачи и тепловогопотока, что связано с переходом от пленочного режимапсевдокапельномуиуменьшениемсопротивления паровой фазы.24диффузионногоконденсации ктермическогоРис.

1.7. Схематическое изображение зависимости плотности теплового потока икоэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенкаНа участке CDE (на зависимости для qc - CD’E) режим конденсацииявляетсяпсевдокапельным.Коэффициенттеплоотдачидостигаетмаксимального значения (III-1), а затем снижается с ростом ∆Т (III-2). Приэтом на зависимости плотности теплового потока от ∆Т тоже имеетсямаксимум (точка). За точкой Е следует участок IV, на котором капельныйрежим конденсации с ростом∆Т постепенно сменяется пленочным.Коэффициент теплоотдачи снижается, аувеличивается.25плотность теплового потокаСущественноевлияниенатеплоотдачуприпсевдокапельнойконденсации оказывает наличие в паровой смеси неконденсирующегося газа.Увеличение его концентрации снижает теплоотдачу при всех значенияхконцентрации этанола.

Однако на различных участках кривой конденсациивлияние неконденсирующегося газа на теплообмен неодинаково. Это влияниеневелико на участке АВ и на участке правее точки Е, но становится весьмазаметным вблизи пика кривой конденсации, где диффузионное термическоесопротивление паровой фазы и термическое сопротивление конденсата малы. Вработе [22], где проводились опыты по конденсации паровой смеси вода-этанолна вертикальной пластине в присутствии малых добавок азота, показано, чтодля концентрации этанола cv =1% с увеличением массовой концентрации азотав смеси сg от 15·10 -6 до 494·10 -6 максимальное значение коэффициентатеплоотдачи уменьшилось на 35%, а максимальное значение плотноститеплового потока - на 40%. (рис.

1.8). С ростом концентрации этанола в смесидиффузионное сопротивление в паровой фазе увеличивается, а влияниенеконденсирующегося газа на теплоотдачу снижается.Увеличениепродольнойскоростипаровойсмесиэтанол-вода,конденсирующейся на вертикальной пластине, как показано в работе [23],приводит к весьма существенному росту коэффициентов теплоотдачи припсевдокапельной конденсации, как за счет уменьшения диффузионногосопротивления, так и в связи с ростом касательных напряжений намежфазной границе (рис.

1.9).В нескольких работах Ютаки и Чена [24-27] изучалось влияниеградиента поверхностного натяжения, вызванного заданным градиентомтемпературы поверхности теплообмена, на характеристики движения капельвдоль наклонной и горизонтальной поверхностей теплообмена в условияхпсевдокапельной конденсации паровых смесей вода-этанол.26Рис. 1.8. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора парстенка в присутствии неконденсирующегося газа [22]Рис. 1.9.

Влияние скорости паровой смеси на зависимостькоэффициента теплоотдачи от температурного напора [23]27Былопоказано,чтоприконденсациинанеизотермическойгоризонтальной пластине капли конденсата, имеющие переменную по ихпериметру температуру, достаточно быстро (со скоростью, достигающей 20мм/c) движутся за счет проявления эффекта Марангони в сторону болеевысокой температуры без воздействия каких-либо внешних сил (рис. 1.10).При заданном составе смеси средняя скорость капель растет сувеличениемконденсатаградиентаисповерхностногоростомначальногонатяжениярасстояниянаповерхностимеждукаплями,образовавшимися в результате потери устойчивости пленки конденсата.Кривые конденсации, полученные в [26] на горизонтальной пластине длямассовой концентрации паровой смеси вода-этанол от 10 до 25% и прискорости 0,4 м/с, имеют только восходящий участок, коэффициентытеплоотдачи на котором близки к полученным в работе Ютаки и Вана [10]при той же скорости смеси вода-этанол, но в условиях ее конденсации навертикальной пластине (рис.