Экспериментальное и расчетное определение интенсивности тепло- и массообмена при конденсации бинарных смесей криоагентов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

АННОТАЦИЯ.

СОДЕРЖАНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.Я

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при конденсации однокомпонент-ных паров криоагентов

1.2. Исследования процесса конденсации бинарных смесей.

1.2.1. Физическая модель процесса.4 к

1.2.2. Аналитические исследования тепло- и массообмена при конденсации бинарной смеси.

1.2.3. Экспериментальные исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей

1.3. Выводы и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ КРИОАГЕНТОВ . ЗД

2.1. Математическое описание процессов переноса в паровой области и пленке конденсата

2.2. Расчет процессов переноса при конденсации бинарной смеси на ЭВМ

2.3. Результаты расчета и их анализ .&S

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ КОНДЕНСАЦИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ КРИОАГЕНТОВ

3.1. Описание экспериментальной установки . . Щ

3.2. Методика проведения эксперимента и обработки результатов. .ив

3.3. Оценка погрешности эксперимента.

3.4. Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации бинарных смесей азот-кислород, азот-аргон.

ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ К РАСЧЕТУ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ КРИОАГЕНТОВ.

4.1. Анализ существующих методик расчета.

4.2. Сравнение результатов аналитического и экспериментального исследования конденсации бинарной смеси.

4.3. Анализ экспериментальных результатов по теплообмену при конденсации бинарной смеси криоагентов

4.4. Рекомендации к расчету теплообмена при конденсации бинарной смеси паров криоагентов. У62,

ВЫВОДЫ

Процесс конденсации, как способ передачи теплоты, находит широкое применение в криогенной технике. В первую очередь это относится к газоразделительным установкам, в которых одним из основных теплообменных аппаратов является конденсатор-испаритель. Высокая интенсивность процесса переноса теплоты при конденсации обусловила, в известной степени, появление таких эффективных теплопередающих устройств как тепловые трубы и термосифоны, применяющиеся в системах охлаждения и криостатирования радиоэлектронных устройств, приемников излучения и т.п.

Поскольку процесс переноса теплоты при конденсации зависит от многих факторов, и в частности, от геометрии теплопередающей поверхности, ее ориентации относительно вектора гравитационного ускорения, теплофизических характеристик и состава конденсирующегося пара и образующейся жидкости, он до настоящего времени является объектом многочисленных исследований как в нашей стране, так и за рубежом [2., 12,- 2.0, Д

На сегоднешний день наиболее изучена конденсация однокомпо-нентного пара. Однако, в реальных аппаратах криогенной техники чаще реализуются процессы фазового перехода бинарных или многокомпонентных смесей. Более того, использование в криогенной технике многокомпонентных смесей специально подобранного состава, позволяющего заметно повысить эксергетический к.п.д. установок, есть одно из перспективных направлений ее развития 3 Необходимо отметить, что в зависимости от физических свойств компонентов, составляющих паровую смесь, конденсация подразделяется на следующие виды: а) Конденсация в присутствии неконденсирующегося газа (один из компонентов смеси не может конденсироваться при заданных условиях). б) Одновременная конденсация компонентов смеси с образованием плохорастворимых жидкостей. в) Одновременная конденсация компонентов смеси с образованием взаимнорастворимнх жидкостей.

Конденсация большинства смесей криоагентов, используемых в промышленных установках, соответствует условиям пункта в).

Состояние теоретических и экспериментальных исследований процесса конденсации смесей, образующих взаимнорастворимые жидкости, как будет показано ниже, заметно отстает от практических потребностей. Весьма ограниченное количество публикаций по данному вопросу дает лишь качественное представление о процессе и не может служить основой для проведения инженерных расчетов. Таким образом, задача исследования закономерностей тепло- и мас-сообмена при конденсации смесей является без сомнения актуальной.

ВЫВОДЫ

1. С помощью разработанной универсальной программы расчета интенсивности тепло- и массообмена при конденсации бинарной смеси криоагентов на ЭВМ, исследована зависимость механизма переноса теплоты и массы в широком интерваяе изменения режимных параметров: давления в системе Р , располагаемого температурного напора аТсм - Тоо - Тех , концентрации компонентов в исходной смеси Ч-4.00 , Показано, что интенсивность теплоотдачи снижается с уменьшением температурного напора аТсл* и увеличением, до определенного значения, содержания одного из компонентов в смеси.

2. При фиксированном значении концентрации компонентов в исходной смеси определено граничное значение располагаемого темпе

ТК М* , выше значения которого осуществляется практически полная конденсация смеси, т.е. X*. - ^юо , ниже

У ¿©о . Отмечена также величина располагаемого температурно

Т* при которой термическое сопротивление диффузионного парового слоя становится пренебрежимо мало по сравнению с термическим сопротивлением пленки конденсата.

-г- -Г**

3. Для случая л1са1<А1 . выявлено возникновение в объеме пара потока несконденсировавшейся части массы легкокипящего компонента смеси, движущегося вдоль пленки конденсата вниз или вверх в зависимости от соотношения плотностей компонентов.

4. Впервые выяснено влияние исходного состояния рабочего вещества ^ жидкий или газообразный азот технической чистоты ) на интенсивность тепло- и массообмена при конденсации. При заправке рабочей камеры жидким азотом процесс протекает по законам характерным для конденсации смесей.

5. Впервые получены экспериментальные данные по исследованию интенсивности тепло- и массообмена при конденсации бинарных смесей криоагентов: азот-кислород, азот-аргон в зависимости от располагаемого температурного напора и концентрации компонентов в исходной газообразной смеси. Установлено хорошее ^отличие не превышает 15% ) соответствие между опытными и аналитическими результатами.

6. Впервые выявлена зависимость устанавливающихся в рабочей камере термодинамических параметров - Р,Т, У от условий организации конденсации бинарной смеси. Показано, что принципиально могут существовать две различные схемы организации процесса - "Система большого объема" ( или система и "Система замкнутого объема" ( или система О = сои или т-^соиз"^ . Для каждой конкретной схемы организации процесса существует свой набор исходных и определяемых параметров.

7. Изучено влияние примеси ( незначительного количества третьего компонента, содержащегося в технически чистых газах составляющих исходную смесь ^ на конденсацию бинарной смеси. Показано, что в зависимости от состава примеси и условий проведения процесса может существовать два вида ее воздействия - когда ее влияние на интенсивность тепло- и массообмена практически ничтожно и когда оно сходно с присутствием в рабочем веществе примеси неконденсирующегося газа.

8. Для инженерных расчетов разработаны рекомендации по определению интенсивности тепло- и массообмена при конденсации бинарных смесей с учетом изменения механизма переноса теплоты и массы в зависимости от величины располагаемого температурного напора и исходной концентрации компонентов в смеси. Указанные рекомендации распространены и на вычисление значений устанавливающихся в рабочей камере термодинамических параметров при проведении процесса в "Системе замкнутого объема".

1. Бакластов A.M., Бобе Л.С., Солоухин В.А. Расчет коэффициентов тепло- и массообмена в паровой фазе при конденсации пара из бинарных смесей. Труды МЭИ, вып. 332, 1977, с. 22-26.

2. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса, М., Химия, 1974, 688 с.

3. Бобе Л.С., Семихатов С.Н. Расчет поверхности тепло- и массообмена при конденсации паров двухкомпонентной смеси. Химическое машиностроение, № 2, 1964, с. 12-17.

4. Брдлик П.М. Тепло- и массообмен в бинарном ламинарном пограничном слое при естественной конвекции, ИФЖ, т. 16, № 6,1969, с. <2.45

5. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета. М.-^Л., Химия, 1966, 535 с.

6. Бродянский В.М. Перспективы использования дроссельных циклов на смесях в криогенных системах. Химическое и нефтяное машиностроение. 1976, № I, с. 21-23.

7. Головинский Г.П. Конденсация смеси паров при глубоком охлаждении. ЖТФ, T. XXVI, вып. 6, 1956, с. I3I0-I328.

8. Грезин А.К. и др. О выборе состава многокомпонентного рабочего тела для дроссельных рефрижераторных систем. Вопросы криогенной техники / кн./, Омск, изд. ОмПИ, 1974, вып. 2,с. 75-82.

9. Гумилин Н.Ю., Ершов Ю.Г. Конденсация паров несмешиваго-щихся жидкостей. Сб. Кипение и конденсация, Рига, вып. I, 1977, с. 104-108.

10. Двойрис А.Д., Беньяминович O.A. Исследование тепло- и массообмена при конденсации многокомпонентных углеводородных смесей. Теоретические основы химической технологии, т. 2, № 5, 1968, c.U-Aî .

11. Иванов М.Е., Елухин Н.К. Теплообмен при конденсации кислорода, азота и аргона. Кислород, 1959, № 3, с. 5-12.

12. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М., Атомиздат, 1978, 256 с.

13. Ивановский М.Н. и др. Технологические основы тепловых труб. М., Атомиздат, 1980, 160 с.

14. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М., Энергоиздат, 1981, 416 с.

15. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М., Энергия, 1977, 240 с.

16. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е., Шпильрайн Э.Э. Термодинамика растворов. М., Энергия, 1979, 288 с.

17. Козицкий В.И. Коэффициенты теплоотдачи при конденсации пропан-бутановых смесей. Газовая промышленность, № 5, 1971,с. 39-42.

18. Козицкий В.И. и др. Теплообмен при конденсации смеси фреонов 12 и 22. Холодильная техника, № 4, 1971, с. 34-36.

19. Кружшшн Г.Н. Уточнение нуссельтовской теории теплообмена при конденсации, в, 1937, т. 7, вып. 20/21, с. 2011-2017.

20. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М., Атомиздат, 1979, 416 с.

21. Лабунцов Д.А. Обобщение теории конденсации Нуссельта на условия пространственно-неравномерного поля температур тепло-обменной поверхности. Теплообмен и гидравлическое сопротивление. Труды МЭИ, вып. 63, 1965, с. 79-84.

22. Лабунцов Д.А. О влиянии конвективного переноса тепла и сил инерции на теплообмен при ламинарном течении конденсатной пленки. Теплоэнергетика, 1956, № 12, с. 47-50.

23. Лабунцов Д.А. О влиянии на теплоотдачу при пленочнойконденсации пара зависимости физических параметров конденсата от температуры. Теплоэнергетика. 1957, №2, с. 49-51.

24. Лабунцов Д. А. Теплоотдача при пленочной конденсации чистых паров на вертикальных поверхностях и горизонтальных трубах. Теплоэнергетика, 1957, № 7, с. 72-79.

25. Наринский Г.Б. Ректификация воздуха, М., Машиностроение, 1978, 248 с.

26. Орлов В.К., Смородин А.И., Марченко Л.Д. Экспериментальное исследование процесса пленочной конденсации пара азота из смеси с гелием. ИФЖ, т. 32, № I, 1977, с. 24-29.

27. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Под ред. Епифановой В.И., Аксельрода Л.С., т. 1,2 , М., Машиностроение, 1973, 468 и 568 с.

28. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. (Определение и корреляция). Пер. с англ. Под ред. В.Б.Когана. Л., Химия, 1972, 702 с.

29. Салов B.C., Данилов О.Л. Конденсация бинарной смеси паров несмешивающихся жидкостей на неизотермической поверхности. ИФЖ, т. 26, № I, 1974, с. 10-17.

30. Серафимов Л.А. и др. Математическая модель тепломассообмена при конденсации многокомпонентных смесей. Теоретические основы химической технологии, т. 13, № 3, 1979, с. 404-410.

31. Смирнов Г.Ф., Зайнулина Н.С., Костанжи И.И. Влияние примеси фреона 14 на конденсацию фреона 13. Сб. Холодильная техника и технология, вып. 15, 1972, с. 61-66.

32. Сперроу Э.М., Маршалл Э. Двухкомпонентная самотечная пленочная конденсация. Теплопередача, № 2, 1969, с. 1-8.

33. Сперроу Э.М., Лин С.Х. Теплоотдача конденсацией в присутствии неконденсирующегося газа. Теплопередача, IS 3, 1965,с. 160-168.

34. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. Малкова М.П., М., Энергия, 1973, 392 с.

35. Теория тепломассообмена. Под ред. Леонтьева А.И., М., Высшая школа, 1979, 495 с.

36. Теплопередача при низких температурах. Под ред. Фроста У., Мир, М., 1977, с. 222-231.

37. Теплопередача в двухфазном потоке, /под ред. Д.Баттер-ворса и Г.Хьюитта./Пер. с англ./- М., Энергия, 1980, 320 с.

38. Хала Э. и др. Равновесие между жидкостью и паром. Иностран. литература, М., 1962, 438 с.

39. Холл Д., Уатт Д. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. М., Мир, 1979, 312 с.

40. Чайковский В.Ф., Смирнов Г.Ф., Доманский P.A. Исследование процесса конденсации двухкомпонентной смеси фреонов 12 и 22. Холодильная техника, № 3, 1972, с. 41-42.

41. Чайковский В.Ф. и др. Исследование массообмена при конденсации смесей фреонов 12 и 22 на горизонтальной трубе. Холодильная техника, J& 6, 1971, с. 37-39.

42. Чайковский В.Ф. и др. Исследование тепло- и массообмена при конденсации смесей фреонов 12 и 22 на горизонтальных оребрен-ных трубах. Холодильная техника, гё 2, 1973, с. 24-28.

43. Шевчик А.П. Теплоотдача при конденсации Ф-12 с примесью масла ХФ12-18. Сб. Техника низких температур, 1971, с. 229-232.

44. Шенк X. Теория инженерного эксперимента, М., Мир, 1972, 328 с.

45. Шпильрайн Э.Э., Кессельман П.М. Основы теории теплофизи-ческих свойств веществ. М., Энергия, 1977, 248 с.

46. Ястржембский А.Л., Македонская П.Г. Некоторые соотношения для азота, кислорода, и водорода, удобные в расчетах на

47. ЭЦВМ. Сб. Вопросы гидродинамики и теплообмена в криогенных системах, вып. 2, 1972, с. 41-46.

48. Bandrowski. J., BryczKowskJ. A. .experimental study of heat transfer at the total condensation of mixed vapours of miscible liquids. Int.J. of Heat and Mass Transfer, v. 18, No 4, 1975, p. 503 512.

49. Blab E. Die Kondensation von binären Damptgemischen. Chemie. Ingr. Tech., v. 45, No 13, 1973, p. 865 872.

50. Chandrakar I.S. Binary, forced flow film condensation. J. Inst. Eng. (India) Mech. Eng. Div., v. 5b, No 2, 1975,p. 85-87.

51. Colburn A.P., Drev; T.B. The condensation of mixed vapors. Trans, of the AlChE, v. 33, 1937, p. 197 208.

52. Heat, and Mass transfer studies. Water. Resour.Cent. Desal. Rept., No 47, 1972, p. 42 48. Denny V.E. and others.

53. Estrin J., Hayes T.W., Drew T.B. The condensation of mixed vapors. AIChE Journal, v. 11, No 5, 19b5, p. 800 803.

54. Haseiden G.G., Prosad S. Heat transfer from condensing oxygen and nitrogen vapours. Trans, instn. Chem. Engrs., v 27, 1949, p. 195.

55. Haseiden G.G., Platt Y/.A. Heat transfer accompanying the condensation of mixed vapours. Br. Chem. Engng., v. 5,1. No 1, i960, p. 37.

56. Kent E.R., Pigi'ord R.L., Fractionation during condensation of vapour mixtures. AlChE. Journal, v. 2, 1^5b, p. 3b3 -371.

57. K-otake S. i'ilm condensation of binary mixture flowin a vertical channel. Int. J. of Heat and Mass Transfer, v.21, Wo 7, 1978, p. 875 884.

58. An AcKermann Colbern condensation of milticomponent Transfer, v. 3, No 2, 197b, p.and Drew type analysis for mixtures. Lert. Heat and Mass 1b3 172. Krishna R. and others.

59. Lucas K. Combined body force and forced convection in laminar film condensation of mixed vapours integral/and and finite difference freatment. Int. J. of Heat and Mass Transfer, v. 19, No 11, ly7b, p. 1273 1280.

60. Marschall E., Hall J.A. Binary, gravity flow film condensation. Trans, of the ASME, v. C 97, No 3, 1575, p. 492 - 494.

61. MinKowicz w.J., Sparrow E.M. Condensation heat transfer in the presence of noncondensables, interfacial resistance, superheating, variable properties, and diffusion. Int. J. of Heat and Mass Transfer, v. 9, Wo 2, 1ybb,p. 1125 1144.

62. Mirkovich V.V., Missen K.K. ^/study of the Condensation of binary vapors of miscible liquids, part 2, Can. J. Chem. En.gng., v. 41, 1yb3, p. 73 78.

63. Mori Y., HijiKata Ji., Utsunomiya K. The effect of noncoudensable gas on film condensation dong a vertical plate in a enelosed chamber. Trans. ASME, v. C 99, Wo 2, iy77,p. 257 262.

64. Condensation heat transfer of a binary liquid metal vapor. Bull. JSME, v 1b, Wo 102, 1973, p. 1928 1934. Mori and others.

65. Pressburg B.S., Todd J.B. Heat transfer coefficient for condensing organic vapours of pure components and binary mixtures. AIChE. J., v 1, No 3, 1957, p. 34b 352.

66. Price B.C., Bell K.J. Design of binary vapor condensers using the Colburn Drew equations. AIUhE Symp. ser.,v. 70, No 138, 1974, p. 163 171.

67. Saddy M., DeijfPozo F.V. Enhancement of condensation heat transfer in the presence of noncondensable by viscous dissipation. Int. J. of Heat and Mass Transfer, v. 17, No 8, 1974, p. 933 943.

68. Schroppel J., Thiele P. Numerical method for the calculation of binary gas mixture condensation in boundary layer flow. Numerical methods in laminar and turbulent flow. Proc. Int. Int (Jonf, 1978, p. 411 420.

69. Shekriladze I.U., liomelauri V.I. Theoretical study of laminar film condensation of flowing vapour. Int. J. Heat and Mass Transfer, v 9, No b, 1966, p. 5«1 591.

70. Tamir A. Condensation of binary mixtures or miscible vapors. Int. <J. of Heat and Mass Transfer, v. 16, No 3» 1973, p. b83 685.75. van Es J.P., Heertjes P.M. On the condensation of vapouj^of^a, binary mixture in a vertical tube. Chem. Engng.

71. Ser., v 5, 1956, p. 217 225.76. van n<s J.P., Heerf¿jes P.M. The condensation of a vapour or a binary mixture. .Br. Chem.Engng. v. 7, No 8, 1962, p. 580 586.