Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации пара и паровых смесей несмешивающихся жидкостей на горизонтальных оребренных трубах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГо ОД

/ 6 Н'гоп язя

На правах рукописи

АНИСИМОВ Сергей Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА И ПАРОВЫХ СМЕСЕЙ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБАХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Смирнов Ю.Б.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Солодов А.П.

кандидат технических наук, доцент Школа В.В.

Ведущая организация - АООТ ВНИИХОЛОДМАШ - холдинг

ОС

Защита диссертации состоится " $0 " (М^^^ 1998 года в •"?£> на заседании диссертационного совета К053.16.02 в Московском энергетическом инстшуте по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корпус Т, 2-й этаж, комната 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

Авторе'ферат разослан "2.? " 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета К053.16.02 к.ф.-м.н., доцент

МикаВ.И.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Известно, что процесс конденсации паров органических веществ отличается сравнительно низкими значениями передаваемых тепловых потоков. Это связано с низкими значениями теплопроводности жидкости и теплоты конденсации применяющихся в промышленности хладагентов. Поэтому актуальной задачей является интенсификация теплообмена при их конденсации. Одним из наиболее распространенных и эффективных способов интенсификации является наружное оребрение труб. Разработанные на данный момент расчетные методики достаточно полно учитывают влияние всех сил, действующих на пленку конденсата, но описывают теплоотдачу при конденсации на горизонтальных оребренных трубах с ребрами только трапецеидального или прямоугольного профиля. Однако в последнее время возрос интерес к новым безотходным технологиям изготовления оребренных поверхностей. Формы ребер, полученных по этим технологиям, отличаются от исследованных ранее, в связи с чем необходима проверка работоспособности существующих расчетных методик применительно к таким ребрам.

В настоящее время наиболее полно изучена конденсация чистого пара. Однако на практике в реальных промышленных установках нередко реализуется процесс конденсации паровых смесей, таких, например, как смеси паров, образующих несмешивающиеся жидкости (наиболее часто применяются смеси органических жидкостей с водой). Проблема интенсификации теплообмена при конденсации смесей паров несмешивающихся жидкостей является не менее актуальной, чем в случае конденсации чистых паров органических жидкостей. Это связано с перспективностью применения смесей паров несмешивающихся жидкостей в качестве рабочих тел в установках для преобразования энергии, а также вследствие весьма широкого использования таких смесей в процессах химической технологии. В то же время в литературе отсутствуют методы расчета теплоотдачи для конденсации паров несмешивающихся жидкостей на оребренных трубах. Это говорит о необходимости изучения процесса конденсации смесей паров несмешивающихся жидкостей на интенсифицированных поверхностях.

Цель работы. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации чистых паров, а также смесей паров несмешивающихся жидкостей на горизонтальных трубах с непрерывными поперечными ребрами.

-ч-

Проверка работоспособности существующих методик расчета теплоотдачи при конденсации чистого пара на горизонтальных орсбренных трубах применительно к трубам с ребрами сложной формы, изготовленными по технологии деформирующего резания.

Разработка методики расчета коэффициентов теплоотдачи (КТО) при конденсации смесей паров несмешивающихся жидкостей на горизонтальных оребренных трубах.

Выработка на основе результатов работы рекомендаций по выбору технологических параметров деформирующего резания для получения заданных теплообменных характеристик оребренных поверхностей.

Научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные по теплоотдаче при конденсации Р.113 на горизонтальных оребренных трубах с ребрами и шипами, изготовленными по технологии деформирующего резания. Разработаны рекомендации по расчету теплоотдачи на трубах с ребрами сложной формы. Впервые получены экспериментальные данные по теплоотдаче при конденсации азеотропной смеси Ш13 с водой на горизонтальных оребренных трубах. Разработана методика расчета коэффициентов теплоотдачи при конденсации смесей паров несмешивающихся жидкостей на горизонтальных оребренных трубах, обобщающая как результаты работы, так и известные из литературы данные.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается обоснованностью выбора методов экспериментального исследования, анализом погрешностей измерения, воспроизводимостью опытных данных, использованием дублирующих методов измерения коэффициентов теплоотдачи, а также сравнением полученных данных с расчетом по апробированным методикам.

Практическая ценность работы. Результаты исследования могут быть использованы при разработке и проектировании конденсаторов холодильных установок, а также теплообменных аппаратов химической технологии.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при конденсации Ш13 на горизонтальных трубах с ребрами и шипами сложной формы, полученными по методу деформирующего резания.

2. Результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации азеотропной паровой смеси ЯНЗ/НгО на горизонтальных оребренных трубах.

-г-

3. Методика расчета коэффициентов теплоотдачи при конденсации азеотропных смесей паров несмепшвающихся жидкостей на горизонтальных оребренных трубах.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены и доложены на 3-м Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996г.), на Международном симпозиуме "Физические основы теплообмена при кипении и конденсации" (Москва, 1997г.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 4 печатных публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 84 наименований, 4 приложений. Работа содержит 169 страниц, включая 51 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор работ, посвященных исследованию теплообмена при конденсации чистых веществ и смесей паров несмепшвающихся жидкостей на гладких и интенсифицированных поверхностях. Показано, что процесс конденсации чистых веществ на горизонтальных трубах с непрерывными поперечными ребрами (ТНПР) весьма сложен для теоретического анализа. Это обусловлено тем, что на пленку, стекающую с поверхности горизонтальной ТНПР, действует как сила тяжести так и сила поверхностного натяжения. Трехмерность картины течения конденсата также затрудняет ее теоретический анализ. Практически во всех опубликованных работах экспериментальные исследования теплообмена при конденсации и разработка расчетных методик проводились для горизонтальных труб с ребрами прямоугольного или трапецеидального поперечного сечения. Однако формы ребер, полученных по новым технологиям, отличаются от исследованных ранее. Поэтому возникает проблема применимости разработанных ранее методик расчета теплоотдачи при конденсации пара для новых форм ребер.

Обзор работ, в которых исследовался процесс конденсации несмепшвающихся жидкостей, показал, что возникающие при этом режимы течения конденсата существенно отличаются от ламинарных пленок, образующихся при конденсации чистых веществ или смесей паров взаиморастворимых жидкостей. Это затрудняет строгое моделирование гидродинамики потоков несмепшвающихся жидкостей и соответственно разработку теоретических моделей для расчета КТО при конденсации. В результате этого в основу всех известных на данный момент расчетных

-

методик положены различные модели течения смеси конденсатов, идеализирующие реальные физические процессы, наблюдаемые в эксперименте. В литературе недостаточно экспериментальных данных, дающих представление о влиянии соотношения теплофизических свойств компонентов смеси на режимы течения конденсата и на теплообмен при конденсации. Данные по конденсации паров несмешивающихся жидкостей на горизонтальных ТНПР получены только в одной работе, где исследовалась смесь ССЦ/НгО. Однако в ней не дано никаких практических рекомендаций по расчету коэффициентов теплоотдачи.

Во второй главе приведено описание методов исследования коэффициентов теплоотдачи, экспериментальной установки и результатов предварительных опытов.

Определение средних по поверхности теплообмена коэффициентов теплоотдачи проводилось с помощью двух методов: прямого и косвенного.

Прямой метод заключался в том, что КТО находились как отношение средней плотности теплового потока к температурному напору пар-стенка. Средняя плотность теплового потока определялась по подогреву охлаждающей воды, который измерялся с помощью дифференциальной многоспайной термопары. Расход охлаждающей воды измерялся весовым способом. Температура насыщения при конденсации чистого пара и температура азеотропной точки при конденсации смеси паров определялись по давлению, измеряемому образцовым манометром. Средняя по поверхности трубы температура стенки находилась путем осреднения ее локальных значений, измеренных с помощью заложенных в стенку термопар.

Косвенный метод определения коэффициентов теплоотдачи был основан на том, что общее термическое сопротивление в теплообменнике типа "труба в трубе" может быть разделено на отдельные составляющие:

--— = —+ ——, (1)

К0 Л аг¥- а0 ■ Р0

где К0 - средний коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности опытной трубки; ах и а0 - средние по поверхности теплообмена КТО соответственно внутри и снаружи опытной трубки; -термическое сопротивление стенки трубы; ^ и Р0 - внутренняя и наружная поверхности опытной трубки. Величина К0 определяется по расходу и подогреву охлаждающей воды.

-ч-

Наружный коэффициент теплоотдачи аа в данной работе находился непосредственно из выражения (1). При этом соотношение для коэффициента теплоотдачи внутри трубы а^ было получено в предварительных тарировочных опытах. Обработка экспериментальных данных тарировочных опытов проводилась по модифицированному методу Вильсона. Согласно этому методу, задается вид функциональных зависимостей: =С, -С, а0 = С0 Н, где в и Н - соответствующим образом выбранные выражения, а С, и С0 - искомые коэффициенты. Затем уравнение (1) записывается в виде:

у т X ь

Представив данные тарировочных опытов в линейной форме У = пгХ + Ь, можно получить искомые значения коэффициентов С; и С0.

Предварительные тарировочные опыты по конденсации хладона Ш13 проводились на горизонтальной медной трубе с внутренним диаметром таким же, как и у оребренных труб. Диапазон чисел Ле со стороны охлаждающей воды при этом составлял от 8500 до 18000. В связи с этим в качестве базовой зависимости для КТО внутри опытной трубки (в) была взята формула Гнилински. Для КТО с наружной стороны опытной трубки (Н) использовалась формула Нуссельта для горизонтальной гладкой трубы.

В результате обработки данных тарировочных опытов коэффициент С, в формуле Гнилински оказался равным 1.07, а коэффициент С0 в формуле Нуссельта - 0.722.

Для проведения исследований была создана экспериментальная установка, представляющая собой замкнутый циркуляционный контур, основными элементами которого являются - парогенератор, пароперегреватель и опытный участок. Циркуляция рабочего вещества по замкнутому контуру осуществлялась за счет разности уровней жидкости между опытным участком и парогенератором.

Рабочий участок представлял собой теплообменник типа "труба в трубе" и состоял из кожуха и закрепленной в нем с помощью сальниковых уплотнений опытной трубки. Для визуального наблюдения процесса конденсации были предусмотрены две пары смотровых окон. Неконденсирующиеся газы удалялись из рабочего участка путем продувки. Для контроля температуры пара в кожухе были установлены термопары. Исследования проводились на пяти медных опытных трубках, которые

были изготовлены в МГТУ им. Баумана методом деформирующего резания. Форма ребер и шипов, получаемых по методу деформирующего резания, показана на рис 1, а геометрические параметры оребрения исследованных труб представлены в таблице. На трубах №1 - 4 были нарезаны непрерывные ребра, а на трубе №5 - шипы (35 шипов на длине окружности). Длина оребренной части опытных трубок составляла 1015мм.

г б

4

Непрерывные ребра Шипы

Рис. 1. Форма ребер и шипов и их основные геометрические параметры.

Таблица

№ трубы э, мм Ь, мм 1, мм ёо, мм £

1 0.38 1.65 0.47 17.70 4.23

2 0.92 1.85 0.70 18.48 3.04

3 1.40 2.55 0.83 19.21 3.07

4 0.30 1.75 0.31 17.67 6.51

5 0.30 1.75 0.31 17.67 5.05

В таблице приняты следующие обозначения, в - расстояние между ребрами, Ь - высота ребра, I - толщина ребра, ^ - диаметр по вершинам ребер, е -степень развития поверхности.

В третьей главе представлены результаты исследования теплоотдачи при конденсации чистого Я113.

Экспериментальные исследования проводились для четырех значений давления насыщения: 0.11, 0.15, 0.2 и 0.4МПа. Температурный напор между паром и стенкой изменялся при этом от 1 до 7К. Результаты опытов приведены на рис. 2, 3 и 4 в виде зависимостей коэффициентов теплоотдачи от температурного напора. На этих же рисунках представлены КТО, определенные по методикам Битти и Катца, Уэбба с сотр. и Роуза для

-

20000

15000

10000 -

5000 -

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 2. Зависимость КТО от температурного напора пар-стенка при конденсации чистого R113 для трубы №1, Р = 0.2МПа. Расчет: по формуле Битти и Катца (1), по формуле Уэбба (2), по формуле Роуза (3), по формуле Нуссельта (4). Эксперимент: косвенный метод (5); прямой метод (6).

15000

10000

5000

а.Вт/^-К) -Н— 1

—___ -■- 2

--ф—о - 3

--«~»-- '- 4

- ДТ,К . 1

■ 1 1 1 1 1.1.1.

0

2 3 4 5 6 7 8 9

Рис. 3. Зависимость КТО от температурного напора пар-стенка при конденсации чистого 11113. а) труба №2, Р = 0.2МПа, б) труба №2, Р = 0.4МПа. Точки - опытные данные (косвенный метод). Расчет: по формуле Битти и Катца (1), по формуле Уэбба (2), по формуле Роуза (3), по формуле Нуссельта (4).

15000

10000 -

5000

15000

10000 -

5000 -

а.)

Рис. 4. Зависимость КТО от температурного напора пар-стенка при конденсации чистого 11113. а) труба №3, Р = 0.2МПа, б) труба №3, Р = 0.4МПа. Точки - опытные данные (косвенный метод). Расчет: по формуле Бкгги и Катца (1), по формуле Уэбба (2), по формуле Роуза (3), по формуле Нуссельта (4).

25000 20000 15000 10000 5000 0

- а,Вт/(м-К) ★

****** * О ♦ ❖ * о ♦

★ - 2 О -3

ДТ,К

Рис. Зависимость КТО от температурного напора пар-стенка при конденсации чистого Ш13 для труб с непрерывными ребрами (№4) и с шипами (№5), Р = 0.2МПа. 1- расчет по формуле Нуссельта. Опытные данные: 2 - труба с шипами (№5); 3 - труба с непрерывными ребрами (№4).

- H-

расчета теплообмена при конденсации чистого пара на горизонтальных оребренных трубах, а также по формуле Нуссельта для гладкой трубы. При расчетах КТО тепловой поток относился к поверхности исходной гладкой трубы диаметром 1бмм. Из рисунков видно, что оребрение трубы, выполненное по методу деформирующего резания, дает возможность получить значительную интенсификацию теплоотдачи (до 8 раз для трубы №1 при степени развития поверхности, равной 4.23). Следует отметить также хорошее согласование между КТО, полученными косвенным и прямым методами для температурных напоров пар-стенка более 1.5К.

Все расчетные методики, с которыми производилось сравнение наших экспериментальных данных, были разработаны на основе результатов опытов, проведенных на трубах с прямоугольными или трапецеидальными ребрами. Однако в данной работе исследовались трубы с ребрами, имеющими прямоугольную нижнюю часть и заостренные вершины (см. рис. 1). Поэтому при расчете теплоотдачи по известным зависимостям необходимо было принять некоторые допущения.

Так, при расчете КТО по методике Роуза считалось, что, так как ребра имели остроконечные вершины, тепловым потоком, передаваемым через торцы ребер, можно было пренебречь. Поэтому член в формуле Роуза, отвечающий за теплоотдачу на торцах ребер, при расчете КТО не использовался. Теплоотдача на боковой поверхности ребра рассчитывалась исходя из предположения, что на скошенной части ребра КТО может быть рассчитан так же, как на вертикальной стенке. Это связано с тем, что угол между скошенной частью вершины ребра и вертикалью для исследованных ребер был не более 35°.

Из рис. 2, 3 видно, что при переходе от трубы №1 к трубе №2 происходит уменьшение КТО, связанное с увеличением расстояния между ребрами и уменьшением активной доли теплообменной поверхности. В то же время при переходе от трубы №2 к трубе №3 (рис. 3, 4), т.е. с увеличением расстояния между ребрами, не происходит уменьшения КТО. Это связано с тем, что у трубы №3 по сравнению с трубой №2 вместе с увеличением межреберных промежутков, т.е. с уменьшением количества ребер на единицу длины, из-за особенностей технологии деформирующего резания одновременно увеличивается также высота ребер, вследствие чего активные поверхности обеих труб были практически одинаковыми.

Следует также отметить, что для труб №2 и №3 при переходе от давления 0.2МПа, когда «~АТ1/4 (рис. 3,а, 4,а), к более высокому (Р=0.4МПа, рис. 3,6, 4,6) КТО практически перестают зависеть от температурного напора. В работе высказано предположение о том, что

такое поведение КТО связано с интенсификацией теплоотдачи в межреберных канавках за счет волнообразования.

Из рисунков 2, 3, 4 видно, что расчет по модифицированной формуле Роуза наилучшим образом коррелирует с опытными данными (большая часть опытных точек согласуется с расчетом в пределах 20%). Исключение составляют лишь опытные точки, полученные на трубе №3 при давлении 0.4МПа (рис. 4,6), для которых максимальное отклонение оказалось равным примерно 40%. Это можно объяснить тем, что при этих условиях опытные значение КТО практически не зависят от температурного напора ДТ, в то время как в методике Роуза предполагается, что а~АТ"4.

В работе рекомендовано для расчета КТО при конденсации на горизонтальных трубах с ребрами, изготовленными по технологии деформирующего резания, использовать методику Роуза, модифицированную автором для учета сложной формы ребер.

На рис. 5 представлены результаты исследования КТО при конденсации Ш13 на трубе, имеющей поверхность с шипами. На рис. 5 нанесены также опытные точки, полученные при конденсации на трубе №4, имевшей непрерывные ребра с такими же, как у трубы с шипами, основными геометрическими параметрами оребрения. Видно, что при конденсации на трубе с шипами КТО примерно в 10 раз больше, чем на гладкой трубе. При этом коэффициенты теплоотдачи на ошипованной трубе выше, чем на трубе с непрерывными ребрами, примерно на 40+45% при меньшей степени развития поверхности теплообмена. Это можно объяснить тем, что в отличие от ТНПР, на ошипованной трубе происходит трехмерное растяжение пленки конденсата на поверхности шипа, что дополнительно увеличивает коэффициент теплоотдачи.

В четвертой главе представлены результаты исследования теплоотдачи при конденсации азеотропной смеси К113/Н20 на гладкой и оребренных горизонтальных трубах. Экспериментальные исследования проводились при давлениях 0.15,0.2,0.4 и 0.48МПа, при этом мольная доля Н20 в смеси составляла соответственно 0.111, 0.126, 0.167 и 0.178. Температурный напор изменялся от 4 до 19К.

На рис. 6, 7 представлены в виде зависимостей КТО от температурного напора пар-стенка результаты экспериментальных исследований теплоотдачи при конденсации азеотропной смеси 1ШЗ/Н20 на трех горизонтальных оребренных трубах. Там же показаны результаты расчетов по методикам Бернхардта, Акерса и Оджино для горизонтальной гладкой трубы. Видно, что как и при конденсации чистого пара, наблюдается хорошее согласование между коэффициентами теплоотдачи, полученными прямым и косвенным методами. При переходе от трубы №2 к

6000

4000 2000 0

2 4 б 8 10 12 14

Рис. 6. Зависимость КТО от температурного напора пар-стенка при конденсации смеси Ш13/Н20 для трубы №1, Р = 0.48МПа. Расчет: по формуле Бернхардга (1), по формуле Оджино (2), по формуле Акерса (3), по формуле Нуссельта (4), по предлагаемой методике (5). Опытные данные: косвенный метод (6); прямой метод (7).

8000 -;-

.а, Вт/(м К) + I

6000 - ,-А-А—А-А А_Л —2

4000

2000 О

2 4.6 8 10 12

10000 -;---

- а, Вт/(м К) —I— 1

8000 - . 2

о Ь 1> Л^ ^ ОО * «00- >

4000 - _ 3 /

2000 - * III , М |, лт R

О L-1-1-1-.-1-.-1-LJ_I

2 4 6 8 10

Рис. 7. Зависимость КТО от температурного напора пар-стенка при конденсации смеси R113/H20. а) труба №2, Р = 0.4МПа, б) труба №3, Р = 0.4МПа.

Точки - опытные данные (косвенный метод). Расчет: по формуле Бернхардга (1), по формуле Оджино (2), по формуле Акерса (3), по формуле Нуссельта (4), по предлагаемой методике (5).

а,Вт/(м*К)

* —' AT, К

.а, Вт/(мгК) -н- 1

7 s—*—о о $ -■— 2 ........... 3

...... - 5 1

. а, Вт/(м2К) 1

Л ❖ ъ о ЛО о —"— 2

- 5

1 1 1 1 1 . AT, К

-лч-

трубе №3, как и в случае конденсации чистого Ш13, уровень теплоотдачи при конденсации смеси Ш13/Н20 возрастает.

Проведенные нами визуальные исследования показали, что, несмотря на небольшое содержание воды в смеси, в стационарном режиме в нижней части трубы в межреберных канавках зависает не фреон, а вода, по которой стекает пленка фреона с распределенными в ней каплями воды. Это было учтено при разработке методики расчета теплоотдачи при конденсации смесей паров несмешивающихся жидкостей на горизонтальных ТНПР.

Следует также указать, что при конденсации смеси Я113/Н20 на всех исследованных трубах для давлений, больших 0.2МПа, КТО практически не зависят от температурного напора.

В то же время из рис. 6 следует, что в области небольших температурных напоров наблюдается некоторое увеличение коэффициентов теплоотдачи при увеличении ДТ. Это, по-видимому, связано со сменой режимов течения пленки конденсата. При увеличении температурного напора пар-стенка, возможно, происходит переход от режима со "стоячими каплями", когда капли воды "прилипают" к металлической стенке и блокируют некоторую долю теплообменной поверхности, к гомогенному режиму течения.

На основе полученных экспериментальных данных в данной работе предлагается следующая расчетная методика для определения КТО при конденсации бинарных смесей паров, образующих несмешивающиеся жидкости, на горизонтальных ТНПР.

Развитая поверхность трубы разделяется на две зоны: зону, блокированную удерживаемым конденсатом (залитую), и активную (нсзалитую) зону. При этом угол, соответствующий незалитой части периметра трубы, рассчитывается по рекомендациям, изложенным в работе Руди и Уэбба:

где р - шаг оребрения. Смоченный периметр ребра Рг. и площадь поперечного сечения ребра АР вычисляются по результатам измерений геометрических параметров ребер. Как было сказано выше, при конденсации смеси Я113 /Н20 межреберные канавки в нижней части трубы были залиты водой, по которой стекала пленка Ш13 с распределенными в ней каплями воды. Поэтому при расчете незалитой доли периметра трубы по формуле (3) в качестве плотности жидкости р была выбрана плотность воды, а также использовалось поверхностное натяжение между двумя

ф = агссов

(3)

-1Г-

жидкостями - водой и 11113, которое рассчитывалось по эмпирическому правилу Антонова: сг12 = с\ - гДе сп и о"2 - коэффициенты поверхностного натяжения воды и И113 соответственно.

Теплоотдачу на незалитой части периметра трубы предлагается рассчитывать по следующей формуле:

0Со р — С • £,

дт

а к

/ АТ^ 02

v 1Е

(4)

где рассчитывается по методике Роуза:

€кх -

do

tip

К (b

+ t

tip)

Tt +

Ф (I_ff)

7t COS/0

dá-dí

Tf +

2dr(b + ttip)J л (b + ttíp)

<xn

Здесь £дт = а о р I а тп ' степень увеличения теплоотдачи; коэффициент теплоотдачи при конденсации на оребренной трубе; атл -

коэффициент теплоотдачи при конденсации на гладкой трубе; р - угол между боковой стороной ребра и плоскостью, перпендикулярной оси трубы; Ь - расстояние между вершинами соседних ребер; Ц, - толщина ребра у его вершины; с1г - диаметр трубы по основаниям ребер; В] - константа, равная 2.96. Выражения для расчета Ть Тг и Т5, и приводятся в тексте диссертации.

Величина аА в формуле (4) представляет собой коэффициент теплоотдачи при конденсации смеси на гладкой горизонтальной трубе и рассчитывается по формуле Акерса:

, л 1/3

а,

(

Я

Mi

av V Р av " В

= 1.51-Re,

-1/3

(6)

где Лцу - коэффициент теплопроводности, осредненный с учетом объемных долей компонентов в жидкой фазе; pav - плотность жидкости, осредненная с учетом массовых долей компонентов; /Л\ - вязкость пленкообразующего компонента (органической жидкости), Reí - число Рейнольдса пленки.

Как отмечалось ранее, при конденсации смеси R113/H20 коэффициенты теплоотдачи слабо зависят от температурного напора пар-стенка. Поэтому для лучшего согласования с опытными данными в формулу (4) введена поправка вида (ДТ/ТЕ)02, ввиду того, что в формуле (6)

-АЬ-

для величины аА, входящей в (4), предполагается зависимость а~ДТ"1/4. Здесь Те - эвтектическая температура смеси, выраженная в градусах Кельвина. Коэффициент С в формуле (4) был получен в результате обработки экспериментальных данных и для смеси 13/Н20 в исследованном диапазоне изменения режимных параметров оказался равен 1.85. Расчет КТО по предлагаемой в данной работе методике, результаты которого показаны на рис. 6, 7, проводился с учетом тех же допущений, что были использованы при расчете КТО по методике Роуза в случае конденсации чистого Я113.

Для проверки работоспособности предлагаемой методики расчета КТО при конденсации смесей паров несмепшвающихся жидкостей на оребренных трубах было проведено ее сравнение с экспериментальными данными работы Тераниши с сотр., которая является на данный момент единственной известной нам опубликованной работой, посвященной конденсации несмепшвающихся жидкостей на горизонтальных ТНПР. В этой работе было проведено исследование теплоотдачи при конденсации азеотропной смеси четыреххлористого углерода с водой при атмосферном давлении (массовая доля воды в смеси составляла 3.83%) на четырех ТНПР с ребрами треугольной формы. Шаг оребрения при этом составлял 1, 2, 3 и 4мм для труб №1, 2, 3, 4 соответственно.

На рис. 8 представлены полученные Тераниши с сотр. экспериментальные данные для одной из труб в виде зависимости КТО от температурного напора пар-стенка. Там же представлены результаты расчета по предлагаемой в данной работе методике определения КТО при конденсации смесей паров несмепшвающихся жидкостей (при этом для наилучшего согласования с опытными данными Тераниши с сотр. коэффициент С в формуле (4) был взят равным 1.65). Из рисунка ввдно, что для АТ<10К наблюдается уменьшение коэффициентов теплоотдачи при уменьшении температурного напора пар - стенка. Как отмечалось ранее, такой ход зависимости КТО наблюдался нами в опытах по конденсации смеси Ш13/Н20 (рис. 6) и связан, по-видимому, со сменой режимов течения пленки конденсата. В связи с этим экспериментальные точки, полученные Тераниши с сотр. при малых ДТ, не учитывались нами при сравнении с расчетом по разработанной нами методике, т.к. в ней предполагается, что конденсат (смесь Ш13/Н20) стекает в условиях гомогенного режима.

На рис. 9 представлено отношение экспериментальных КТО к рассчитанным по предлагаемой в данной работе методике в зависимости от температурного напора между паром и стенкой. Здесь показаны результаты

10000 8000 6000 4000 2000 0

0 10 20 30 40

Рис. 8. Зависимость КТО от температурного напора пар-стенка при конденсации смеси СС14/Н20 (данные Теранипш с сотр. для трубы №2), Р = ОЛМПа.

Точки - опытные данные Теранипш с сотр. Расчет: по формуле Бернхардга (1), по формуле Оджино (2), по формуле Акерса (3), по формуле Нуссельта (4), по предлагаемой методике (5).

1.3

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0 10 20 30 40

Рис. 9. Сравнение экспериментальных данных по теплоотдаче при конденсации смесей паров несмешивающихся жидкостей на оребренных трубах с расчетом по предлагаемой методике.

1 - данные автора (М13/Н20, трубы №2, 3), 2 - данные Тераниши с сотр. (СС14/Н20, трубы №1 -г- 3), 3 - данные Теранипш с сотр. (СС1/Н20, труба №4).

а,Вт/(мг-К)

♦—«-♦

ДТ,К

С1 /г*.

^»сл ' ^рзг ч

❖ -1 *-2 3

* **

*

*

*

-#**■..........*.

^ * * * * * * * *

* ■ г* *

* *

дт,к

экспериментальных исследований, полученные автором данной работы при конденсации смеси Я113/Н20, а также опытные данные Теранипш с сотр., полученные при конденсации смеси ССЦ/НгО. При обобщении опытных данных автора работы, а также данных Теранипш с сотр., коэффициент С в формуле (4) был взят равным 1.75. Из рисунка видно, что большая часть опытных точек согласуется с расчетом в пределах 20%. Исключение составляют только экспериментальные данные, полученные Теранипш с сотр. для трубы №4 с максимальным шагом оребрения, равным 4мм. Это связано с тем, что при применении формулы (3) для данных, полученных Тераниши с сотр. на трубе №4, погрешность расчета угла, соответствующего незалитой части периметра трубы, может быть выше, чем для остальных труб.

Результаты сравнения экспериментальных и теоретических КТО, показанные на рис. 9, позволяют сделать вывод о применимости для инженерных расчетов предлагаемой методики определения КТО при конденсации на оребренных горизонтальных трубах азеотропных смесей паров, образующих несмешивающиеся жидкости.

В четвертой главе представлены также результаты расчетов, позволяющие выявить влияние различных параметров резания на геометрические характеристики получаемых по данной технологии ребер, а также на степень увеличения теплоотдачи £дт, определенную для таких ребер по модифицированной модели Роуза и по предлагаемой в данной работе методике расчета КТО при конденсации азеотропных смесей несмешивающихся жидкостей.

Разработаны рекомендации, позволяющие для заданного рабочего вещества (чистого пара или азеотропной паровой смеси) и условий конденсации найти с учетом технологических ограничений оптимальные значения параметров деформирующего резания для достижения максимальной степени увеличения теплоотдачи.

В приложениях помещены таблицы опытных данных, приведены результаты оценки влияния теплопроводности материала трубы на теплоотдачу, а также определена погрешность измерения КТО косвенным и прямым методами, которая не превышала соответственно 20% и 15%.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика и создана экспериментальная установка для исследования теплообмена при конденсации чистых паров, а также

азеотропных смесей паров несмепшвающихся жидкостей на оребренных и гладких горизонтальных трубах.

2. Впервые выполнено экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации хладона Ш13 на горизонтальных оребренных трубах, изготовленных по технологии деформирующего резания. Опыты проведены в диапазоне изменения давления от 0.1 до 0.4МПа и температурного напора пар-стенка от 1 до 7К. Получено более 80 опытных точек. Опытные значения КТО, полученные двумя методами -прямым и косвенным, хорошо согласуются между собою при температурных напорах • более 1.5К. При этом наибольшее значение степени увеличения теплоотдачи было равно 8.

3. Отмечено изменение характера зависимости КТО от температурного напора для случая конденсации чистого К113 на оребренных трубах при изменении давления. Если при давлении менее 0.2МПа КТО пропорциональны температурному напору в степени (-1/4), то при увеличении давления до 0.4МПа КТО практически не зависят от разности температур меяеду паром и стенкой во всем исследованном диапазоне геометрических параметров оребренных труб.

4. Для расчета КТО при конденсации чистого пара на оребренных трубах, изготовленных по технологии деформирующего резания, рекомендуется использовать приближенный метод Роуза, модифицированный автором данной работы для учета сложной формы ребер.

5. Впервые проведено исследование теплообмена при конденсации хладона КПЗ на горизонтальной трубе с шипами, изготовленными по технологии деформирующего резания. Наибольшее значение опытного коэффициента теплоотдачи составило 1.9104 Вт/(м2-К), что примерно в 10 раз больше, чем на гладкой трубе.

6. Впервые получены экспериментальные данные по теплоотдаче при конденсации азеотропной смеси хладона 1ШЗ с водой на горизонтальных оребренных трубах. Исследования проводились в диапазоне давлений от 0.15 до 0.48МПа и температурных напоров от 2 до 12К. Было получено более 110 экспериментальных точек. Отмечено, что для давлений более 0.2МПа опытные КТО практически не зависят от температурного напора пар-стенка. На основании визуальных наблюдений отмечено, что при конденсации азеотропной смеси хладона М13 с водой в межреберных промежутках зависает не органический компонент, а вода, по которой стекает пленка органики с распределенными в ней каплями воды, что учтено в расчете коэффициентов теплоотдачи.

— Z.O —

7. На основании полученных экспериментальных данных впервые разработана методика расчета теплообмена при конденсации азеотропных смесей паров несмешивающихся жидкостей на горизонтальных орсбренных трубах. Предлагаемая методика описывает с погрешностью около 20% опытные данные, полученные автором, а также данные Тераниши с сотр. по конденсации смеси CCI4/H2O на трубах с ребрами треугольной формы.

8. Разработаны рекомендации по выбору для заданного рабочего вещества (чистого пара или азеотропной паровой смеси) и условий конденсации оптимальных значений параметров деформирующего резания для достижения максимальной степени увеличения теплоотдачи.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Анисимов C.B., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при конденсации пара и паровых смесей на гладких и оребренных трубах II Тр. III Минского международного форума по тепломассообмену. - Минск., 1996. - T.IV, ч.2, - С.63-68.

2. Анисимов C.B., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при конденсации пара на горизонтальных трубах с ребрами сложной формы. // Теплоэнергетика. -М., 1997. №11. - C.38-4I.

3. Анисимов C.B., Смирнов Ю.Б. Конденсация паров несмешивающихся жидкостей на горизонтальных оребренных трубах // Труды Международного симпозиума "Физические основы теплообмена при кипении и конденсации", Москва, 1997г., - С.215-220 (на английском языке).

4. Анисимов C.B., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при конденсации азеотропной паровой смеси R-113/H20 на горизонтальных оребренных трубах. // Теплоэнергетика. - М., 1997. №5. - С.69-72.

Псч S.Z5_Тираж SQO Заказ £

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.