Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 6

Полагая, что псевдокапельнаяконденсация паровых смесей и капельная конденсация чистого пара нанесмачиваемой поверхности не имеют существенных различий, автор [4]использовал для обработки опытных данных числа подобия, входящие впредложенную В.П. Исаченко [39] обобщающую зависимость для расчётакоэффициента теплоотдачи при капельной конденсации чистого пара:= (где=, Пк ,∙ ∙∙ ∙ ∙∆),(1.1)=- число Нуссельта;∙∙- число Рейнольдса;Pr - число Прандтля; α – коэффициент теплоотдачи; σ – коэффициентповерхностного натяжения; Ts – температура насыщения; ∆T=Ts-Tc –температурный напор между паром и стенкой;– температура стенки; r –теплота конденсации; λ, ρ и μ – теплопроводность, плотность и динамическаявязкость жидкости.37Здесь в качестве линейного масштаба используется минимальный радиускапли, а скорость роста капли является масштабом скорости.∙В обобщающую зависимость (1.1) входит также П =подобия,учитывающеевлияниенатеплоотдачу∙∙− числотермокапиллярногодвижения.Так как для бинарных смесей изменение поверхностного натяжения восновном связано с изменением состава конденсата, в [4] при обобщенииопытных данных по конденсации смесей вместоподобия∙=.Пk было введено числоЗдесь с – массовая доля низкокипящего компонента вконденсате.Уравнение, обобщающее данные [4] по конденсации паровых смесей вкапельномрежиме,который,согласновизуальнымисследованиям,проявлялся при массовых концентрациях низкокипящего компонента меньшезначения,соответствующегомаксимальнойразноститемпературконденсации и кипения для данной бинарной смеси, имеет следующий вид:Nu = 0,84 10 7  Re 1.25  π k 0.3  Pr 1/3(1.2)Опытным данным, на основе которых была получена эта зависимость,соответствуют следующие диапазоны определяющих критериев подобия:Re=(0,07÷1,2)·10-2;=(0,2÷6)·10-2; Pr=2÷8.Коэффициент теплоотдачи соответствовал термическому сопротивлениюконденсата:к=∆к, где ∆ к=−;− температура границы разделафаз, которая полагалась равной температуре кипения при заданнойконцентрациисмеси;такимобразом,38диффузионноетермическоесопротивление паровой фазы в (1.2) не учитывалось.

Физические свойствасмеси, входящие в (1.2), определялись по Ti.Из формулы (1.2) следует, чток~∆Tк-0,25, т.е. по данным [4] припсевдокапельной конденсации получается точно такая же зависимостькоэффициента теплоотдачи от температурного напора, как при пленочнойконденсации пара и паровых смесей взаиморастворимых жидкостей. Какоголибо объяснения этому факту в работе [4] не приводится. Заметим, что длякапельной конденсации водяного пара в том же диапазоне изменения числаRe в ряде работ была получена гораздо более сильная зависимостькоэффициента теплоотдачи от температурного напора.

Например, в работеИсаченко В.П. [39] найдено, что~∆T-0,57, а в работе Якушевой Е.В. [40] -~∆T-1.При более высоких концентрациях низкокипящего компонента в смеси вопытах [4] отмечалось усиление слияния капель и наблюдались различныесмешанные непленочные режимы стекания конденсата.

Для этого диапазонаконцентрацийсмесиавторомбылаполученадругаяэмпирическаязависимость, описывающая опытные данные по теплоотдаче с погрешностьюоколо 15%.Изложенныевышерезультатыисследованийтеплоотдачиприпсевдокапельной конденсации на гладких пластинах и трубах показывают,что при малой концентрации в смеси низкокипящего компонента инебольших температурных напорахудаетсяполучитькоэффициентытеплоотдачи в несколько раз большие, чем при пленочной конденсациичистого водяного пара.

Однако с увеличением температурного напорапроисходит снижение коэффициентов теплоотдачи за счет переходапсевдокапельногорежимаконденсациивпленочный.Приростеконцентрации низкокипящего компонента в смеси теплоотдача такжеуменьшается, но уже в основном за счет роста диффузионного термическогосопротивления паровой фазы. Все это39приводит к необходимостиинтенсификациитеплоотдачиприпсевдокапельнойконденсациипрактически неподвижных паровых смесей.1.3 Теплообмен при конденсации пара и паровых смесей на оребренныхгоризонтальных трубахОдним из хорошо изученных способов интенсификации теплообменапри пленочной конденсации чистого практически неподвижного пара нагоризонтальных трубах является их наружное оребрение.

Важным фактором,влияющим на процесс конденсации пара на оребренной трубе, является силаповерхностного натяжения. С одной стороны, она приводит к заливуконденсатом нижней части оребрения, что вызывает блокирование этой долитеплообменной поверхности и снижение теплового потока. С другойстороны, на не залитой конденсатом части оребренной поверхности трубысила поверхностного натяжения стягивает пленку конденсата с ребер вмежреберные канавки, в результате чего толщина пленки на боковойповерхности ребер уменьшается, а тепловой поток растет.

При выбореоптимальных геометрических параметров оребрения тепловой поток состороны конденсирующегося пара увеличивается сильнее, чем возрастаетплощадь поверхности теплообмена вследствие оребрения.Исследования конденсации пара на оребренных трубах были начаты в1940-х годах; тогда же Битти и Катцем была разработана первая модель длярасчета теплообмена [41], основанная на формулах теории Нуссельта и неучитывающая влияния сил поверхностного натяжения.

Позднее появилисьапробированныенабольшомэкспериментальномматериалемногочисленные расчетные модели, в которых уже тем или иным образомучитывалось влияние поверхностного натяжения на теплообмен приконденсации пара на оребренных трубах. Наиболее известными из нихявляются модели Адамека и Уэбба [42], Оуэна с сотр. [43], Хонды c сотр.[44], Гогонина и Кабова [45,46], Роуза [47] и Сринивасана с сотр.

[48].40Подробный обзор экспериментальных и теоретических работ по теплообменупри конденсации пара на оребренных трубах представлен в диссертации С.В.Анисимова, выполненной на кафедре инженерной теплофизики МЭИ [49].Рассмотрим более подробно работы Роуза [47] и Сринивасана с сотр.[48],т.к.полученныевних расчетныесоотношениябудутдалееиспользованы нами для сравнения с полученными опытными данными потеплоотдаче при конденсации чистого водяного пара на оребренныхгоризонтальных трубах.В работе [47]предлагается методика расчета теплообмена приконденсации пара на горизонтальных трубах с ребрами прямоугольного итрапецеидального профиля.

После проведения детального анализа процессастеканияпленкиконденсата,рассмотренногосучетомвлиянияповерхностного натяжения жидкости на толщину пленки конденсата наребре, в [47] было получено выражение для коэффициента интенсификациитеплообмена εΔT:ε ΔTd 0 ttip 1  f f  d 02  d r2 s T f + 1  f s  B1=Tt +TsDr b+ttipπ cosβ  2d r  b+ttip  πb+t tip ,(1.3)где:1/4dB G Tt   r + t t4  d 0 0.728 1/4 0.943 4 d r B f G f T f  +40.728h v 0.728 ;;1/ 4  ξ   3Gs Ts = + Bs40.7280.7284 Gt ff =σd r ρ  ρv  gttip3;;Gf σd r ρ  ρv  gh31  tg  β / 2  tg  / 2  2σcos  β 1+tg  β / 2 ρgd r h;41;Gs σd r ρ  ρv  gs3;fs =1  tg  β / 2  tg  / 2  4σcos  β 1+ tg  β / 2 ;ρgd r s h,если sin 2h  h, если    2  sin  2;    0 , 8 7 4  1 , 9 9 1  1 0 -3    2 , 6 4 2  1 0 -2   2. 5 , 5 3 0  1 0 -3   3  1 , 3 6 3  1 0 -3   4Коэффициент интенсификации теплообмена εΔT представляет собоюотношение коэффициентов теплоотдачи на оребренной и гладкой трубах приодинаковых значениях температурного напора.

Первый член в правой частивыражения (1.3) характеризует теплоотдачу на торце ребра, второй - набоковой стороне ребра, а третий в межреберных промежутках. Угол φ,соответствующий не залитой конденсатом части периметра трубы, для труб сребрами прямоугольного и трапецеидального профиля рассчитывается поформуле, полученной Хондой и Нодзу [50]: 4σcosβ φ  arccos  1ρgbd0,(1.4)где σ - коэффициент поверхностного натяжения; ρ - плотность жидкости.Входящие в (1.3) и (1.4) геометрические параметры оребрениягоризонтальных труб с прямоугольными и трапецеидальными ребрамиприведены на рис. 1.15. Здесь h – высота ребра; b – ширина межребернойканавки, измеренная по вершинам ребер; s - ширина межреберной канавки,измеренная по корням ребер; β - угол наклона боковой поверхности ребра квертикали; d0 – диаметр трубы, измеренный по вершинам ребер; dr - диаметртрубы, измеренный по корням ребер; ttip – толщина ребра при его вершине;42Рис.

1.15 Геометрические параметры оребрения горизонтальных трубt – толщина ребра, измеренная у его корня. Для ребер прямоугольногопрофиля β=0 , b=s и ttip= t.Четыре неизвестные константы Bt, Bf, Bs, B1 в формуле (1.3) былиполученыэмпирическимпутемврезультатеобработкиобширногоэкспериментального материала и оказались равными Bt = Bf = Bs = 0.143, B1 =2.96. Результаты расчета средних КТО при конденсации на оребренныхтрубах по методике Роуза согласуются с погрешностью не более 20% сэкспериментальными данными 11 авторов, полученными на различныхжидкостях и при различных геометрических параметрах оребрения.Сринивасан с сотр.

[48] предложили весьма простую, но тожеапробированную на большом экспериментальном материале методикурасчета теплоотдачи при конденсации пара на оребрённых горизонтальныхтрубах. Согласно этой методике, вся поверхность оребрённой трубы делитсяна две части. На первой части поверхности (нижней) межреберные канавкиполностью затоплены конденсатом за счет действия сил поверхностногонатяжения, поэтому конденсация пара здесь происходит только на вершинахребер.