Диссертация (Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах), страница 8

В верхнейточке паровой магистрали при помощилатунныхштуцеровустановленашлюзовая камера, которая состоит излатунного «стакана» известного объема,латунногошаровогофторопластовымикранасуплотнениямиигерметичной верхней крышки. Шлюзоваякамераприменяласьдляизменениясостава смеси в контуре установки путемвведения в парогенератор определенногоколичестваэтанола.ДалееРис.

2.2.Внешний вид рабочего участкапароваямагистраль подходит к корпусу рабочего участка (поз. 3 рис. 2.1),51Рис. 2.3. Рабочий участок1 – опытная трубка, 2 – корпус, 3 – смотровые окна, 4 – фторопластовая втулка, 5 –сальниковое уплотнение, 6 – термопарная гильза, 7 – патрубок продувки, 8 – патрубокподвода пара, 9 – патрубок отвода конденсатакоторый изображен на рис.

2.3 и представляет собой полый цилиндрдиаметром 240мм и длиной 400мм, имеющий два смотровых окна (3) в егоцентральном сечении, а также крышку и днище. На крышке рабочего участкарасполагаются патрубки для подвода пара из парогенератора (8), для отводапара к продувочному вентилю и для отбора пробы пара (7), а также гильзы, вкоторые заложены медь-константановые термопары (6),служащие дляизмерения температуры пара. На днище рабочего участка расположенпатрубок для стока конденсата (9).

Расположение относительно опытнойтрубки отверстия, через которое пар поступал в рабочий участок, быловыбрано таким образом, что пар, подходящий к опытной трубке, можно былосчитать практически неподвижным.52Рис. 2.4. Опытная трубкаКонденсация паровой смеси вода-этанол происходила на наружнойповерхности медной трубки, установленной по оси рабочего участка припомощи сальниковых уплотнений.В качестве сальников использовалисьвтулки из фторопласта с наружным диаметром 25мм и внутренним 12мм принеобходимом допуске, позволяющем их плотно установить на опытнуютрубку.

Надежность уплотнений обеспечивалась постоянным контролемусилия натяжных гаек и регулярной заменой втулок.Использовались две гладкие опытные трубки, одна из которых быларасположена горизонтально, а другая вертикально, а такжеоребренныеснаружи горизонтально расположенные опытные трубки. Гладкие трубкиимели наружный диаметр 12,0 мм и толщину стенки 2,0 мм.

Три опытныетрубки имели прямоугольные кольцевые ребра, при этом высота и толщинаребер для всех трубок составляла 1,0 мм, диаметр по корням ребер – 10,0 мм,а расстояние между ребрами было соответственно 1,3; 2,0 и 3,0 мм.53Длинаучасткаконденсацииограничиваласьфторопластовымивтулками и для всех трубок составляла 100мм. Наружный диаметр втулоксоставлял 27мм, а внутренний 12мм с допуском, позволяющим их установкуна опытную трубку с натягом.

В стенку каждой опытной трубки в среднем поее длине сечении равномерно по периметру были заложены четырекабельные хромель-алюмелевые термопары в чехлах из нержавеющей сталинаружным диаметром 0,9 мм. Для закладки термопар в стенке фрезеровалиськанавки размером 1х1.2 мм от центрального сечения трубки до сечения, на15мм не доходившего до торца трубки.

Особое внимание уделялосьрасположению горячих спаев термопар в канавках, т.к. при обработкеэкспериментальных данных учитывалась разность температур между местомрасположения горячего спая и наружной поверхностью трубки. Термопарызапаивались в стенку трубки припоем, состоящим из 98% олова и 2% серебрапри помощи флюса с содержанием 90% оловянной пыли. После монтажагорячих спаев термопар поверхность каждой трубки тщательно зачищалась,полировалась, а затем отмывалась растворителями от остатков флюса изагрязнений. Применялся также гальванический способ заполнения медьюканавок с заложенными в них кабельными термопарами с последующеймеханической обработкой и полировкой наружной поверхности опытнойтрубки. После закладки термопар в стенки оребренных трубок нарушеннаяпри этом часть ребер восстанавливалась по методу, применявшемуся в [52].Холодные спаи термопар термостатировались в сосуде Дьюара притемпературе таяния льда, приготовленного из дистиллированной воды.Температуру конденсации Ts находили с учетом давления и составасмеси с помощью диаграммы «температура-состав» для данной бинарнойсмеси, построенной по данным [53].

Избыточное давление в опытном участкеизмерялось образцовым манометром, атмосферное давление – барометром.Измерения температуры пара в опытном участке проводились с помощьютермопар, размещенных в паровом пространстве в стальных гильзах.54Вработах,посвященныхисследованиютеплообменаприпсевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей, используютсяразличные методы измерения их состава. В [28, 30] приводятся значениясостава жидкой смеси вода-этанол,приготовленной для заполненияпредварительно вакуумированной установки, а состав в паре определяетсяпо температуре, измеренной в паровом объеме конденсатора по диаграммефазового равновесия; (абсолютная погрешность измерения таким способомсостава в паре велика, она составляет, по данным [30], не менее 1%, т.е.

тогоже порядка, что и минимальные значения концентрации этанола в паре). В[4-6] проводился отбор пробы конденсата, стекающего с опытной трубки, споследующим измерением состава пробы на рефрактометре. Ютака с сотр.[10] одновременно использовали два метода измерения состава. Первыйзаключался в измерении при одинаковом давлении разности температуркипения дистиллированной воды и смеси воды и этанола и в расчете составапо предварительно полученной градуировочной зависимости. Однако, какуказывают сами авторы [10], этот метод, оказался недостаточно точным дляизмерения малых концентраций этанола, и для этого диапазона изменениясостава ими применялся метод отбора пробы паровой смеси из конденсаторас измерением состава в сконденсированной пробе.В нашей работе основным методом измерениясостава смеси былотбор из парового пространства рабочего участка небольшой пробы пара,егоконденсацияианализсоставажидкойсмесиприпомощипризматического рефрактометра фирмы Atago (более подробно об измерениисостава смеси будет сказано в следующей части этой главы, посвященнойпроведению опытов).Плотность теплового потока на стенке определялась по расходуохлаждающей воды Gов, ее изобарной теплоемкости при средней температурена участке конденсации CPов и подогреву ∆Tов на участке конденсациидлиной l трубы с наружным диаметром d2 :55qc GовC Pов d 2l Tов(2.1)Величину ∆Tов находили по результатам измерения среднемассовойтемпературы платиновыми термометрами сопротивления, установленными впотоке охлаждающей воды на входе в опытную трубку (Твх) и на выходе изнее (Твых):Tов  Tвых  Tвх(2.2)Вместахустановкиплатиновыхтермометровсопротивленияобеспечивалось тщательное перемешивание потока охлаждающей воды вусловиях, близких к адиабатным.Расходохлаждающейводыизмерялсяэлектромагнитнымрасходомером КМ-5 (поз.

6 рис. 2.1), тарировка которого регулярнопроводилась весовым способом.Коэффициенттеплоотдачи α при конденсации на гладких трубахопределялся как отношение плотности теплового потока к температурномунапору пар-стенка ∆Т =Ts - Tc. Здесь Тс – средняя по периметру трубытемпература стенки опытной трубки.При наличии на трубе наружного оребрения закладка термопар встенку может приводить к значительному искажению в ней температурногополя. Следует также отметить и то, что закладка термопар в оребреннуюстенку с последующим восстановлением профиля оребрения являетсядостаточно трудоемким процессом.

Поэтому для исследования теплоотдачипри конденсации на интенсифицированных поверхностях в последнее времявсе чаще применяют те или иные модификации «косвенного» методаопределения коэффициентов теплоотдачи, не требующего закладки термопарв стенку опытной трубки. Этот метод является особенно эффективным присравнении теплообменных характеристик оребренных труб с различными56геометрическими параметрами оребрения, так как дает возможность быстройсмены рабочего участка при проведении экспериментов.«Косвенный» метод определения коэффициентов теплоотдачи основанна том, что общее термическое сопротивление в теплообменнике типа «трубав трубе» может быть разделено на его составляющие:111 Rc ,K 2  F2 1  F1 2  F2(2.3)где K2 - средний коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружнойповерхности трубы, 1 и  2 - средние по поверхности теплообменакоэффициенты теплоотдачи соответственно внутри и снаружи трубы, Rc термическое сопротивление стенки трубы, выраженное в К/Вт, F1 и F2 площади внутренней и наружной поверхностей трубы.Коэффициент теплопередачи, в свою очередь, может быть получен извыражений для теплового потока, определяемого по подогреву охлаждающейводы:Q  Gов  CPов  (Tвых  Tвх )(2.4)иQ  K 2  F2  Tлог(2.5)где средний логарифмический температурный напор:Tлог Tвых  TвхT Tln S вхTS  Tвых(2.6)Здесь Tвх и Tвых - среднемассовые температуры охлаждающей воды на входеи выходе опытной трубки соответственно.57Наружный коэффициент теплоотдачи  2 в нашей работе находилсянепосредственно из выражения (2.3).