Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 7

Вторая часть поверхности (верхняя) не затоплена конденсатом, и всвязи с этим на ней в основном и происходит процесс конденсации пара.43f,πДоля поверхности трубы, затопленная конденсатом, определяется как Cf =где=−конденсатом,а уголугол, соответствующий части трубы, затопленнойφ вычисляется по формуле (1.4). Для расчетатеплообмена на части трубы, затопленной конденсатом, используетсявыражение1/4 Gy Nu f = 0.728  t    dr Здесь Gy =ρ 2  h fg  g  p 3μ  ΔT  λ(1.5)- это безразмерный комплекс, который в [48] назван«гравитационным числом»; hfg – теплота конденсации; μ и λ - динамическаявязкость конденсата и его теплопроводность; ΔT – температурный напорdмежду паром и стенкой; t = t ; dr = r ; t –толщина ребра; dr – диаметр трубы,ppизмеренный по корням ребер; p – шаг оребрения, равный сумме толщиныребра t и расстояния между ребрами s.Для верхней части трубы, которая не затоплена конденсатом, расчеттеплоотдачи проводится по эмпирическому уравнению Gy Nuu = B  Su  t  h  d   Su b1Безразмерный комплекс Su =b2b3ρ  h fg  σ  pμ  λ  ΔTb5b4r(1.6), входящий в (1.6), отражает влияниесил поверхностного натяжения на процесс конденсации, поэтому авторы [48]называют его «числом поверхностного натяжения».

Величинаh - этоотношение высоты ребра h к шагу оребрения p.В итоге была получена следующая формула для расчета теплоотдачи напри конденсации пара на горизонтальных оребренных трубах:44Nud = 1- C f  Nuu + C f Nu f .Здесь число Нуссельта определено как Nu d =(1.7)α  dr.λЗначения шести (!) констант в (1.7) подбирались путем обработкибольшого массива экспериментальных данных (9 работ, 183 точки),полученных на75 трубах с различными геометрическими параметрамиоребрения.

Получено, что B=15,0; b1=0,1968; b2=0,1062; b3=0,1369;b4=0,7485; b5=0,0504.Необходимо отметить, что для конденсации на оребренных трубахпаров веществ со значительно более низкими, чем у воды, коэффициентамиповерхностного натяжения (например, фреонов) расчет теплоотдачи по всемперечисленным выше методикам, в том числе по [47] и [48], дает близкиерезультаты.

В то же время данные по теплоотдаче приконденсацииводяного пара на оребренных трубах, полученные путем расчета по тем жеметодикам, часто расходятся между собой на десятки процентов и далеко невсегда удовлетворительно согласуются с результатами эксперимента. Однойиз причин этого, на наш взгляд, является то, что при конденсации водяногопара доля активной поверхности теплообмена оребренной трубы невелика, всвязи с чем возникает большая погрешность в ее расчете. Например,приведенные в работе [48] расчетные данные по теплоотдаче приконденсации водяного пара на трубе с непрерывными поперечными ребрамиболее чем на 40% превышают результаты расчета по методике Роуза [47] длятех же режимных параметров процесса конденсации.Имеется весьма ограниченное число работ, посвященных изучениютеплообмена при непленочной конденсации бинарных паровых смесей наоребренныхтрубах.Опытныеданныепоконденсациипаровнесмешивающихся жидкостей (смесь CCl4/H2O) на горизонтальных трубах стреугольной формой ребер были представлены в работе Тераниши с сотр.45[51].

Однако в ней не дано практических рекомендаций по расчетукоэффициентов теплоотдачи.Анисимовым С.В. в [49] были впервые получены опытные данные потеплоотдаче при непленочной конденсации азеотропной паровой смесинесмешивающихсяжидкостейR113/H2Oнанесколькихоребренныхгоризонтальных трубах. Трубы имели наружное оребрение сложной формы,полученное методом деформирующего резанияи различались высотой итолщиной ребер и расстоянием между ними. Исследования проводились вдиапазоне давлений от 0,15 до 0,48 МПа и температурных напоров от 2 до12К. Отмечено, что для давлений более 0,2 МПа коэффициент теплоотдачипрактически не зависит от температурного напора стенка-пар.

На основаниивизуальных наблюдений был сделан вывод о том, что при конденсацииазеотропной смеси R113/H2O, для которой содержание в конденсате водыменее 5%, в межреберных промежутках зависает не фреон, а вода, покоторой стекает пленка фреона с распределенными в ней каплями воды. Этобыло учтено в [49] при разработке методики расчета теплоотдачи приконденсации азеотропных смесей паров несмешивающихся жидкостей нагоризонтальных оребренных трубах.

Предложенная в [49] расчетная модельописывает с максимальной погрешностью около 20% не только полученныеАнисимовым С.В. опытные данные по конденсации паровой смесиR113/H2O на горизонтальных трубах с оребрением сложной формы, но иупомянутые ранее данные Тераниши с сотр. [51] по конденсации смесиCCl4/H2O на трубах с ребрами треугольной формы. Однако механизмырассмотренной в [49] пленочно-капельной конденсации азеотропных смесейпаров несмешивающихся жидкостей и изучаемой в настоящей работепсевдокапельной конденсации неазеотропных бинарных паровых смесейвзаиморастворимых жидкостей принципиально различаются между собой.Псевдокапельнаяконденсацияпаровых46смесейвзаиморастворимыхжидкостей на оребренных поверхностях, по нашим сведениям, ранее неизучалась.Выводы по главе 1 и задачи исследования1. Псевдокапельная конденсация паровых смесей взаиморастворимыхжидкостей (конденсация Марангони) – это весьма сложный физическийпроцесс, который лишь в конце 1990-х годов начали детально изучать внескольких научных лабораториях мира.

В отличие от «классической»капельнойконденсациичистогопсевдокапельная конденсацияпараналиофобнойповерхности,протекает на смачиваемой поверхности.Таким образом, для организации процесса псевдокапельной конденсации нетребуется применение лиофобизаторов, что открывает перспективы еепрактического применения.2. Наибольшее число работ, посвященных исследованию теплообменапри псевдокапельной конденсации, выполнено для паровых смесей воды сэтанолом. Измерения теплоотдачи проводились при конденсации паровыхсмесей на вертикальной и горизонтальной пластинах, на вертикальной игоризонтальной гладких трубах. Изучалось влияние на теплоотдачу состава,скорости и давления смеси, температурного напора пар - стенка, наличия всмеси неконденсирующихся примесей, а также градиента температуры вдольповерхности теплообмена.

При псевдокапельной конденсации движущейсяпаровой смеси вода-этанол на вертикальной пластине для весьма малой(около 1%) концентрации этанола в паровой смеси были полученыкоэффициенты теплоотдачи в 8 раз выше, чем при пленочной конденсацииводяного пара. Значительное увеличение коэффициента теплоотдачи припереходеотпленочногорежима47конденсациипаровойсмесикпсевдокапельному режиму отмечено и в опытах, где в качестве поверхноститеплообмена использовались вертикальные и горизонтальные гладкие трубы.3. Практически все исследования теплоотдачи при псевдокапельнойконденсации были проведены в условиях вынужденного движения паровойсмеси, а имеющийся в литературе весьма ограниченный экспериментальныйматериал по псевдокапельной конденсации по конденсации практическинеподвижных паровых смесей в режимах, отличных от пленочного, былполучен только на горизонтальной гладкой трубе и при относительновысоких концентрациях низкокипящего компонента в смеси, т.е.

присильномвлияниитеплоотдачу.диффузионногоОтсутствуютсопротивленияопытныеданныепопаровойфазытеплоотдаченаприпсевдокапельной конденсации практически неподвижных паровых смесей навертикальных гладких трубах. Псевдокапельная конденсация паровых смесейна оребренных горизонтальных трубах ранее также не изучалась.4. Созданные к настоящему времени физические модели процессапсевдокапельной конденсации [35,37] содержат большое число допущений илишь приближенно отражают весьма сложный механизм этого процесса, асоответствующиеметодики,предназначенныедлявычислениякоэффициентов теплоотдачи, основаны на ограниченном экспериментальномматериале и не пригодны для практического использования. Имеетсялишьодна работа [4], в которой была предпринята попытка обобщения опытныхданныхпотеплоотдачеприконденсациинесколькихпрактическинеподвижных паровых смесей на горизонтальной трубе, но эти данные былиполученыприсравнительнобольшихконцентрациях низкокипящегокомпонента, когда режим стекания конденсата был, по-видимому, ближе кпленочному, чем к псевдокапельному.48Задачи данного исследования:1.

Разработка методов экспериментального исследования теплоотдачипри псевдокапельной конденсации бинарных паровых смесейвзаиморастворимых жидкостей на гладких и оребренных трубах исоздание экспериментальной установки для автоматизированногосбора, первичной обработки опытныхданных и управленияэкспериментом.2. Проведениеизмеренийкоэффициентовтеплоотдачиприпсевдокапельной конденсации практически неподвижной паровойсмеси вода-этанол на горизонтальной и вертикальной гладких трубахи на горизонтальных оребренных трубах при малых концентрацияхэтанола в смеси и в широком диапазоне изменения температурногонапора пар - стенка.3. Сравнение полученных опытных данных с результатами другихисследований, их обобщение и разработка рекомендаций для расчетатеплоотдачи при псевдокапельной конденсации бинарных паровыхсмесей взаиморастворимых жидкостей на трубах.492.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКАИ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНАСхема экспериментальной установки для исследования теплообменапри конденсации бинарных паровых смесей показана на рис 2.1.

Установкасостоит из двух замкнутых контуров, основного и вспомогательного. Восновной контур входят парогенератор (1), пароперегреватель (2) и рабочийучасток(3).Вспомогательныйдистиллированнойводой(4),контурсостоитциркуляционногоизнасосатермостатаICM(6)сирегулирующей арматуры. Он предназначен для отвода тепла от рабочегоучастка и связан также с системой автоматизации экспериментальнойРис. 2.1. Схема экспериментальной установки 1- парогенератор;2 - пароперегреватель; 3 - рабочий участок; 4 - термостат; 5 - вентиль продувки;6 - циркуляционный насос; 7 - регулятор расхода; 8 – образцовый манометр;9 - датчик давления; 10 - термопара (Тпара); 11- платиновый термометр сопротивления(Твых), 12- термопара (Тс), 13 - платиновый термометр сопротивления (Твх);14 - электромагнитный расходомер; 15 - регулятор мощности; 16 - модуль вводасигналов термопар; 17- модуль ввода сигналов термометров сопротивления; 18 - модульвывода 0-10В; 19 - конвертор интерфейсов RS485/USB, 20 – шлюзовая камера.50установки.

Основные элементы контура установкиизготовлены изнержавеющей стали, а уплотнения – из фторопласта.Парогенератор – это горизонтально расположенная труба наружнымдиаметром 250мм и длиной 300мм с крышками на торцевых частях. Черезкрышки парогенератора в него вставлены 4 стандартных ТЭНа мощностьюпо 1кВт. Для плавного изменения мощности ТЭНов использовалисьтиристорные регуляторы (15). На боковой части парогенератора установленуровнемер - стеклянная трубка с делениями. На нижней образующейпарогенератора к нему приварен штуцер возврата конденсата. В верхнейчасти парогенератора вварен штуцер, ккоторому подключена паровая магистраль.Напаровоймагистралипароперегреватель,расположенизготовленныйизнихромовой проволоки в изоляции изкерамическихбус.Частьпаровоймагистрали изготовлена из гибкой трубы,что позволяет изменять угол наклонарабочего участка к горизонту.