Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации движущегося пара на наружной поверхности одиночных горизонтальных труб тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Принятые обозначения

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Обзор литературы

1.1. Теплообмен при конденсации "неподвижного" пара на горизонтальном цилиндре

1.2. Теоретические исследования теплообмена при ламинарной пленочной конденсации

1.3. Экспериментальные работы по теплообмену при конденсации двия^щегося пара

1.4. Выводы. Постановка задачи экспериментальных исследований

ГЛАВА 2. Описание экспериментального стенда и методика проведения опытов

2.1. Выбор рабочего вещества

2.2. Описание экспериментального стенда и методика проведения опытов

2.3. Методика проведения измерений

2.4. Сбор информации и обработка результатов экспериментов с помощью ЭВМ

2.5. Методика проведения скоростной киносъемки и фотографирования процесса конденсации

2.6. Оценка погрешности эксперимента

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование теплообмена при пленочной конденсации на наружной поверхности горизонтального цилиндра

3.1. Исследование теплообмена при конденсации "неподвижного" пара

3.2. Анализ скоростных кинофильмов

3.3. Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации движущегося пара

3.4. Анализ обобщения результатов эксперимента по конденсации движущегося пара

3.5. Выв оды

В последние годы наблюдается повышенный интерес к проблемам теплообмена при пленочной конденсации пара. Это объясняется большой значимостью данного процесса для различных отраслей техники. Пленочная конденсация имеет место в конденсаторах паровых турбин, в опреснительных установках, в дефлегматорах ректификационных колонн, а также может встречаться в различных аппаратах химической и пищевой технологии. Как отмечено в [бJ энергетические установки мощностью 10 мВт имеют теплопередающую поверхность а о б'10 м . Затраты на их изготовление и обслуживание составляют существенную долю из общей суммы производственных затрат. Исходя из этого, можно сделать вывод, что исследование влияния основных гидродинамических параметров на теплообмен при пленочной конденсации имеет важное значение."Разработка новых технологических процессов, обеспечение их надежности и экономичности, снижение весогабаритных показателей аппаратов, рост стоимости вырабатываемой энергии, использование низкопотенциального тепла и т.д, служит причиной возросшего внимания к вопросам проектирования теплообменников" ] .

В настоящее время в литературе имеется достаточно обширный материал, посвященный изучению данных вопросов. К наименее исследованным разделам настоящей проблемы относится на наш взгляд влияние неконденсирующихся примесей на теплообмен при конденсации, влияние скорости пара и влияние плотности орошения. В представленной работе была поставлена задача - экспериментально изучить влияние скорости пара на теплоотдачу при конденсации на горизонтальных цилиндрах.

Теоретические исследования зависимости теплообмена от скорости парового потока приведены в работах В.Нуссельта ,

С.С.Кутателадзе » Г.Г.Черного jjO,I]Q » Дени и Милса

123 » Д.Цесса \jz] » А.Николя ^73Д и др. Строго решить уравнения, описывающие данный процесс с учетом всех факторов, влияющих на него, в настоящее время не представляется возможным. Во всех теоретических работах принимались какие-либо допущения. Поэтому использовать результаты данных работ для проведения практических расчетов можно с большой осторожностью, с обязательным привлечением экспериментального материала.

Известные из литературы экспериментальные работы С.С.Кутателадзе , С.Н.Фукса [и] , Л.Д.Бермана и Ю.А.Туманова Г.15Ц , В.А.Рачко [19,17,183 » Р.Фергюссона и И.Окдена £.74 J , К.Турека ^75^ и другие выполнялись при конденсации водяного пара. При сопоставлении данные этих авторов существенно расходятся мевду собой. Экспериментальные данные И.И.Гогонина, А.Р.Дорохова и В.И.Сосунова, полученные на фреонах 12 и 21 были выполнены в основном в каналах сложной геометрии, имитирующих шахматный пакет труб .

Следует отметить важность измерений теплоотдачи, при конденсации на горизонтальных цилиндрах, установленных в гладких каналах, т.е. в условиях наиболее близких к принятым в теоретических решениях.

Настоящая работа посвящена изучению теплоотдачи при конденсации движущегося пара хладона-12 в широком диапазоне массовых скоростей пара. Опыты проводились на одиночных горизонтальных цилиндрах разного диаметра, установленных в гладких каналах прямоугольного сечения, при спутном обтекании паром.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса. На основе анализа теоретического и экспериментального материала сделана постановка задачи настоящего исследования.

Во второй главе приводятся методика проведения эксперимента, обоснование выбора рабочего вещества, описание установки и методика измерений. Сделан подробный анализ погрешности измерений.

Третья глава посвящена обсуждению полученных результатов. Данные автора сопоставляются с данными других авторов.

В приложении к диссертации помещены таблицы с первичными результатами измерений.

В данной работе представлены и выносятся на защиту следующие новые результаты:

1. Проведены измерения теплообмена на горизонтальных трубах различного диаметра при существенном изменении степени поджатия парового потока в широком диапазоне изменения массовых скоростей пара и температурных напоров и при различных физических свойствах жидкости и пара.

2. При спутном обтекании паром горизонтального цилиндра, расположенного в канале прямоугольного сечения определены скорости парового потока, при которых имеет место дробление и распыл капель конденсата.

3. Опыты выполнены в неисследованном диапазоне изменения величин поперечных потоков вещества, когда существенный вклад в суммарное трение на границе фаз вносят как трение в результате поперечного потока вещества, так и трение при бесконечно малом поперечном потоке.

4. Изменяя в опытах степень поджатия парового потока, выявили, что теплообмен при пленочной конденсации движущегося пара на одиночном горизонтальном цилиндре в каналах прямоугольного сечения определяется скоростью пара в узком сечении канала.

Работа выполнялась в институте теплофизики СО АН СССР в группе, руководимой ст.н.с. к.т.н. Гогониным И.И. при участии инженеров Кабова О.А. и Сосунова В.И.

3.5. Выводы

I. Выполнено экспериментальное исследование теплообмена при конденсации движущегося пара на одиночных горизонтальных цилиндрах, расположенных в гладких каналах при спутном движении пара в широком диапазоне определяющих параметров: ' ' J /У/

Re = - /,3-/о г

-z

2. Впервые определены значения скоростей пара, при которых наступает процесс дробления и распыла капель ковденсата в момент их отрыва от кормовой зоны трубы.

3. Проведены принципиально новые эксперименты в области таких значений поперечного потока вещества, когда существенный вклад в суммарное трение на границе раздела фаз пар-пленка жидкости, вносит трение, как при бесконечно малом поперечном потоке вещества. Установлено, что при ковденсации тяжелого пара хладона-12 процесс обтекания паром циливдра полностью протекает в области начального участка для поверхности с отсосом.

4. Экспериментальные результаты показали, что влияние скорости пара на теплообмен при конденсации на наружной поверхности труб может быть удовлетворительно оценено по зависимостям аппроксимирующим численные решения, в которых трение на границе раздела фаз принимается с учетом поперечного потока вещества.

1. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. -М. - Л.: Машгиз, 1949. - 162 с.

2. ШпихтингГ. Теория пограничного слоя. Наука, М.: 1974. -711 с.

3. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. - 240 с.

4. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. Энергия, М.: 1972.т- 342 с.

5. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. - 415 с.

6. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. Пер. с англ., Мир, М.: 1970. - 440 с.

7. Теплопередача в двухфазном потоке. Под ред. Баттер-ворса Д. Хьюитта Г. Пер. с англ. - М.: Энергия, 1980. - 325 с.

8. Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Теплообмен при пленочной ковденсации неподвижного пара. Новосибирск, 1980. -44 с. (Препринт 48-80, Ин-т теплофизики).

9. Черный Г.Г. Ламинарное движение газа и жидкости в пограничном слое с поверхностью разрыва. Изв. АН СССР, ОТИ, 1954, № 12, с.38.

10. Черный Г.Г. Ковденсация движущегося пара на плоской поверхности. -ДАН СССР, 1955, т .101, № I, с.39-42.

11. Денни, Миллс. Пленочная конденсация движущегося пара на горизонтальном цилиццре при ламинарной пленке, стекающей под действием силы тяжести. Теплопередача (русск. перевод Ttctns ASME,secC ) 1969, т.91, № 4, с.41-49.

12. Кутателадзе С.С. Влияние движения пара на коэффициент теплоотдачи. Советское котлотурбостроение, № 1-2, 1941, с.70-72.14. фукс С.Н. Конденсация движущегося пара на горизонтальной трубе. Известия ВТИ. 1953, № 3, с. 12-17.

13. Берман Л.Д., Туманов Ю.А. Исследование теплоотдачи при конденсации движущегося пара на горизонтальной трубе. Теплоэнергетика, 1962, № 10, с.77.

14. Берман Л.Д., Туманов Ю.А. О влиянии скорости пара на механизм и интенсивность теплообмена при пленочной конденсации на горизонтальной трубе. Энергомашиностроение, 1964, № 5,с.24-26.

15. Рачко В.А. Экспериментальное исследование влияния скорости и состава паровоздушной смеси и глубины вакуума на процесс теплообмена при конденсации водяного пара. ЖГФ, 1956, т.26, вып.З, с.602-617.

16. Рачко В.А. Исследование процесса конденсации движущегося чистого пара на трубных пучках. ИТФ, т.28, вып.6, с.1237* 1290, 1958.

17. Рачко В.А. Исследование влияния параметров пара и глубины трубного пучка на процесс конденсации движущегося чистого пара. ЖТФ, вып.6, т.28, с. 12514-1260, 1958.

18. Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Теплообмен при пленочной конденсации движущегося пара. Новосибирск, 1980.60 с. (Препринт 66-80, Ин-т теплофизики).

19. Кутателадзе С.С. Опыт применения теории подобия к процессу теплоотдачи от конденсирующегося насыщенного пара. ШТФ, т.7, вып.З, 1937. с.282.

20. Лабунцов Д.А. Теплоотдача при пленочной конденсации чистых паров на вертикальных поверхностях и горизонтальных трубах.-Теплоэнергетика, 1957, № 7, с.72-80.

21. Лабунцов Д.А. 0 влиянии на теплоотдачу при пленочной конденсации пара зависимости физических параметров от температуры.-Теплоэнергетика, 1957, № 3, с.49-51.

22. Лабунцов Д.А. Обобщение теории коцценсации Н(уссельта на условия пространственно-неравномерного поля температур теплооб-менной поверхности. В кн."Теплообмен и гидравлическое сопротивление", Труды МЭИ, вып.63, 1965, с.79-84.

23. Кружилин Г.Н. Уточнение нуссельтовской теории теплообмена при конденсации. -Ж.Т.Ф., 1937, т.7, вып.20/21, с.2011-2017.

24. Воскресенский К.Д. Расчет теплообмена при пленочной коцценсации с учетом зависимости физических свойств конденсата от температуры. М., Изд-во АН СССР, ОГК, 1948.

25. Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Теплоотдача при конденсации неподвижного пара на пучке гладких горизнталь-ных труб. Теплоэнергетика, № 4, 1977, с.33*36.

26. Берман Л.Д. Теплоотдача при пленочной коднесации пара на поперечно обтекаемых горизонтальных трубах. В кн.: Конвективная теплопередача в двухфазном и однофазном потоках. -Под ред. В.М.Боришанского и И.П.Палеева. Н. - Л., Энергия, 1964, с.7-53.

27. Иса И., Цзинь-Тань Чжень. Стационарная двумерная пленочная конденсация в условиях вынувденной конвекции при наличии градиентов давления и при малых числах Прандтля. Теплопередача (русский перевод TmnsASMB^e^.C ), 1972, № I, с.54-58.

28. Шекриладзе Й.Г. Пленочная конденсация движущегося пара. -Сообщ. АН Грузинской ССР, ШУ: 3, 1964, с.6194-626.

29. Шекриладзе И.Г., Шоржолиани Г.И. Анализ процесса пленочной конденсации движущегося пара на горизонтальном цилиццре. -ШЖ, 1973, т.25, № I, с.14-19.

30. Шекриладзе И.Г. К вопросу анализа процессов ламинарной пленочной конденсации движущегося пара. ИФЖ, 1977, т.32, № 2, с.221-225.

31. Марушкин В.М., Полыновский Ф.Л. К теории теплоотдачи при конденсации движущегося пара на горизонтальном цилиццре. -Теплоэнергетика, № 4, 1979, с.59.

32. Берман Л.Д., 3>укс С.И. Массообмен в конденсаторах с горизонтальными трубами при содержании в паре воздуха. Теплоэнергетика, № 8, 1958, с.66-74.

33. Тушаков И.С., Походий В.И., Промыслов В.А., Шилохвостов А.В. Экспериментальное исследование скоростей движения пара на интенсивность теплоотдачи при его конденсации. Энергомашиностроение, 1979, № 4, с.II.

34. Шкловер Г.Г., Буевич А.В. О механизме течения пленки при конденсации пара в горизонтальных трубных пучках. Теплоэнергетика, 1978, № 4.

35. Гудымчук В.А. Теплоотдача при конденсации пара на наклонной трубе. Известия ВГИ, 1935, № 12, с.15-20.

36. Буглаев В.Т., Авдреев М.М., Казаков B.C. Теплообмен при конденсации пара атмосферного давления на горизонтальном трубном пучке. Теплоэнергетика, № II, 1970, с. 66-67.

37. Мильман 0.0., Буевич А.В. Измерение температуры стенки при исследовании процессов конденсации на поверхности. Теплоэнергетика, № 7, 1972, с.93.

38. Гогонин И.И., Дорохов А.Р. Теплообмен при конденсации движущегося пара фреона-21 на горизонтальной трубе. ЖПМТФ, № 2, 1971.

39. Гогонин И.И., Дорохов А.Р. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации движущегося пара фреона-21 на горизонтальных цилиндрах. ЖПМТФ, № 2, 1976, с. 129-133.

40. Кутателадзе С.С., Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Теплообмен при конденсации на горизонтальном пакете труб. -Сб. Теплопередача при кипении и ковденсации, Новосибирск,1978.

41. Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Пленочная ковденса-ция движущегося пара на горизонтальном цилиндре. ПМТФ, №1,1979, с.125-130

42. Кутателадзе С.С., Гогонин И.И., Дорохов А.Р., Сосунов В.И. Пленочная конденсация движущегося пара на пучке гладких горизонтальных труб. Теплоэнергетика, № 5, 1979, с.12-15.

43. Гогонин И.И., Сосунов В.И. Конденсация движущегося насыщенного пара на пакете горизонтальных труб. Т0ХГ, т.15, № 2, 1981, с.202-207.

44. Бадылькес И.С. Рабочие вещества и процессы холодильных машин. Госторгиздат, 1962. - 280 с.

45. Варгафтик Н.Б. Справочник по физическим свойствам газов и жидкостей. Физматгиз, 19.72. - 720 с.

46. Яковкин Г.А. Фреоны. Свойства и применение. Издание ГИПХ, Л., 1959.

47. Теплофизические свойства фреонов. Под ред.Груздева В.А. Сб.научных трудов, Изд-во Наука. Сибирское отделение, Новосибирск, 1969. - 177 с.

48. Использование фреонов в энергетических установках. Сб.научных трудов под ред.Москвичевой В.Н., ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1973.- 226 с.

49. Фогельсон И.Б. Транзисторные термодатчики. -М., Советское радио, 1972. 128 с.

50. КАМАК системы автоматизации в экспериментальной биологиии медицине. Под ред. Нестирихина Ю.Е. - Наука, Новосибирск, 1979. - 269 с.

51. Паперный Е.А., Эйдельштейн И.Л. Погрешности контактных методов измерения температур. Энергия, М.-Л., 1966.

52. Кондратов А.П., Шестопалов Е.В. Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений. М., Атомиздат. 1977. - 200 с.

53. Гогонин И.И., Сосунов В.И., Лазарев С.И., Кабов 0.А. Теплообмен при конденсации неподвижного пара на пакетах горизонтальных труб различной геометрии. Теплоэнергетика, № 3, 1982, с.33.

54. Гогонин И.И., Сосунов В.И., Лазарев С.И., Кабов О.А. Исследование теплообмена при конденсации неподвижного пара на пакетах горизонтальных труб разного диаметра. Теплоэнергетика, Jf° 3, 1983 г., с 13-17.

55. Кутателадзе G.C., Гогонин И.И., Лазарев С.И., Сосунов В.И. Исследование теплообмена при конденсации движущегося пара хладона-12 на горизонтальном циливдре. В сб.Теплообмен при фазовых превращениях. Под. ред. С.С.Кутателадзе, Новосибирск, 1983, с.5-25.

56. Янг Д., Лоренц И., Ганич Е. Взаимодействие пар-жидкость и унос капель в испарителях со стекающей пленкой. Пер. с англ. Теплопередача, сер.Ц., № I, 1980, с.17.

57. Волынский М.С. 0 дроблении капель в потоке воздуха. ДАН СССР, 1948, т.62, № 3, 263 с.

58. Бухман С.В. Экспериментальное исследование распада капель.-Вестник АН Казахской ССР, 1954, № I, с.38-43.

59. Клячко Л.А. К теории дробления капли потоком газа. -Инженерный журнал, 1963, т.З, с.554-557.

60. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия, 1968, 361 с.

61. Гогонин И.И., Лазарев С.И., Сосунов В.И. Ковденсация движущегося пара на одиночном горизонтальном цилиндре. Тезисы докладов. Всесоюзная конференция "Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и ковденсации", Рига, 1982, т.2, с.9-10.

62. Быков В.Н. Исследование образования и деформации спектра капель в двухфазных потоках методом голографии.- Автореф.канд. дисс., Ленинград, 1975, 12 с. ЛПИ.

63. Берман Л.Д., Фукс С.Н. Влияние примеси воздуха на теплоотдачу при конденсации движущегося пара. Изв. ВТИ, № II, 1952, с.11-18.

64. Борисов А.А., Гельфанд Б.Е., Натанзон М.С., Коесов О.М.

65. О режимах дробления капель и критериях их существования. -ШЖ, 1981, т.ХХХХ, № I, с.64-70.

66. Nusselt W. Die Oberfl^bhenkondensation des Wasserdampfes.-"Zeitschrift VDI", 1916, Bd.60, S.541-546, 568-575.

67. Gess R.D. Laminar-film condensation on a flat plate in the absence of a body force.- ZAI.IP, 1960, vol. 11, N28, p. 426-433.

68. Nicol A.A., Wallace D.J, The influence of Vapour shear force on condensation on a cylinder. J.Chem.E. Symposium Series N38, Multi-phase flow systems, 2-4 April, 1974, vol.1.

69. Ferguson R.M. , Oakden I.C. Transaction of Chem.Eng.Congress. World Power conference, 1936, vol.3, p.690.

70. Turek K. Y/armeubergang und Druckverluste bei der Filmkonden-sation stromenden Sattdampfes an horizontalen Rohrbundeln.-Chemie-Ing.-Teen. 44, Jahrg.1972, N5, S.280-285.

71. Grigull V. Forschung auf derri Gebiete der Inginieurwesens, 1942, Bd.13, Marz, S.49-57.

72. Rohsenow W.M., Wobber I.H. , Lin A.K. Effect of vapour velocity on laminar and turbulent film condensation. Trans.ASME, 1956, vol.78, N8, р.1б37-1б43

73. Koh I.C.Y. Film condensation in a forcedconvection Boundary-layer flow. Int. J.Heat and Mass Transfer, 1962, vol.5,p.944-954.

74. By Beckett P., Poots G. Laminar film condensation in forced flows. Mechanies and applied Mathematies, vol.XXV, part 1,1. February, 1972.

75. Shekriladze I.G., Comelauri V.I. Theoretical study of laminar film condensation of flowing vapour. Int.J. Heat and Mass Transfer, 1966, vol.9, N6, p.581.

76. Fujii Т., Uehara H., Kurata Ch. Laminar filmwise condensation of flowing vapour on a horizontal cylinder, Int.J. Heat and Mass Transfer, 1972, vol.5, N2, p.235-246.

77. Fujii T., Uehara H, Kurata Ch, Laminar filmwise condensation of flowing vapour on a horizontal cylinder. Int.J. Heat and Mass Transfer, 1972, vol.15, N2, p.235-246,247.

78. Takahashi Y., Soda M. Fundamental Study on Steam Surface Condenser. Technical Review, 1973, vol.10, N3, ser.N28, p.183-190.

79. Lee W.C., Rose I.W., Film condensation on a horisontal tube-effect of vapour velocitu. Proc.7th Int. Heat Transfer Conf., Munchen, vol.5, p.101-106,1982.

80. Honda H,, Nozu S,, Fujii T, Yapour to ccolant heut transfer during condensation of Flouring vapour on a horizontal tube.-Eroc. 7th Int. Heat Frarsfer Conf. Munchen, 1982, vol.5,p.77-82.

81. Ishii M., Golmes M.A., Inception criteria for Droplet Entrainment in Two Phase Concurrent Film-Flow, - AJlhE Journal, vol.21, N2, 1975, p.308-318.

82. Ferreira S.M.M. Forced convection condensation of vapour flowing around a circular cylinder.- Effect of form dragreducti-on. Chem.Engng. Journal, 1974, vol.7, H3, P-253

83. Morsi Ы.G. Skin friction and form pressure lose in tube Bank condensers.- Heat and fluid flow, vol.6, N1, April 1976.