Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи,

ЧИНДЯКОВ Андрей Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ПСЕВДОКАПЕЛЬНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВОЙ СМЕСИ ВОДА-ЭТАНОЛ НА ГЛАД КИХ И ОРЕБРЕННЫХ ТРУБАХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

23 ОКТ 2014

Москва - 2014

005553736

005553736

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Смирнов Юрий Борисович

Официальные оппоненты: Мильман Олег Ошеревич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой общей физики ФГБОУ ВПО «Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского»

Кректунов Олег Петрович, кандидат технических наук, главный специалист отдела ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт энергетических технологий «Атомпроект», г. Санкт-Петербург

Ведущая организация: ФГУП «Государственный научный центр

Российской Федерации - Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского», г. Обнинск Калужской обл.

Защита диссертации состоится 28 ноября 2014 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.157.04 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, корп. Т, кафедра инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» http://ww.mpei.ru

Автореферат разослан 2014 г,

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим высылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04, к,т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Теплообменные аппараты, предназначенные для конденсации водяного пара, широко используются в энергетике и промышленности. Актуальной является задача уменьшения их габаритов и металлоемкости. Для этого применяются различные способы интенсификации теплообмена при пленочной конденсации, например, увеличение скорости пара или оребрение поверхности теплообмена. Весьма эффективным является такой способ интенсификации теплообмена, как использование гидрофобизаторов для перехода от пленочного режима конденсации к капельному. Однако капельный режим конденсации водяного пара не удается поддерживать в течение длительного времени ввиду засорения или разрушения гидрофобных покрытий. Это ограничивает практическое применение капельной конденсации.

В то же время известно, что при конденсации некоторых бинарных паровых смесей возможен переход от пленочного режима конденсации к псевдокапельному, который реализуется на смачиваемой поверхности теплообмена, т.е. для его создания не требуется применять гидрофобизаторы. Недавно выполненные исследования показали, что в определенных условиях при псевдокапельной конденсации паровых смесей возможно получение таких же высоких коэффициентов теплоотдачи, как при «классической» капельной конденсации. Для практического применения этого нового способа интенсификации теплообмена требуется проведение экспериментальных исследований теплообмена при псевдокапельной конденсации паровых смесей на трубах и получение зависимостей для расчета теплоотдачи на основе опытных данных.

Целью работы является экспериментальное исследование теплообмена при конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на трубах и получение зависимостей для расчета теплоотдачи путем обобщения опытных данных.

Научная новизна работы. Впервые получены опытные данные по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на горизонтальной и вертикальной гладких трубах при малых массовых концентрациях этанола в смеси. Показано, что при псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол максимальное значение коэффициента теплоотдачи в несколько раз выше, чем при пленочной конденсации водяного пара. Проведено обобщение результатов работы совместно с известными из литературы данными и получены зависимости для расчета теплоотдачи.

Впервые выполнено исследование теплоотдачи при псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на горизонтальных оребренных трубах. Показано, что оребрение горизонтальных труб позволяет существенно интенсифицировать процесс теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов

диссертационной работы обеспечивается и подтверждается:

тщательной проработкой методов измерения, использованием дублирующих методов измерения коэффициентов теплоотдачи и состава смеси, результатами анализа погрешностей измерений;

- своевременной поверкой использованной аппаратуры, предварительной тарировкой всех используемых первичных датчиков;

- автоматизацией эксперимента, которая позволила с высокой точностью устанавливать и поддерживать заданные режимные параметры процесса конденсации и проводить большое число первичных измерений;

- воспроизводимостью результатов эксперимента и согласованностью их с имеющимися в литературе данными, полученными в близких условиях.

Практическая ценность. Результаты исследования (как первичные данные, так и обобщающие зависимости) могут быть использованы при разработке и проектировании новых типов конденсаторов пара с интенсификацией теплообмена за счет работы в режиме псевдокапельной конденсации, предназначенных для энергетики и различных отраслей промышленности. Экспериментальные данные могут также использоваться для апробации новых методов теоретического расчета теплообмена при конденсации бинарных паровых смесей.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на гладкой горизонтальной трубе, проведенного в широком диапазоне изменения температурного напора пар-стенка при малых массовых концентрациях этанола (от 0,8 до 8,7% в паровой фазе);

- результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на гладкой вертикальной трубе, проведенного в широком диапазоне изменения температурного напора пар-стенка при малых массовых концентрациях этанола (от 0,4 до 16% в паровой фазе);

- результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на горизонтальных оребренных трубах с различными расстояниями между ребрами при малых массовых концентрациях этанола (от 8,7 до 14,5% в паровой фазе);

- расчетные зависимости, полученные при обобщении экспериментальных данных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на гладких трубах совместно с данными других исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены и обсуждены: на 18-й Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН

А.И.Леонтъева «Проблемы газодинамики и теплообмена в новых энергетических технологиях», Звенигород, 2011; на Международной научной школе «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических технологиях», Москва, 2011г.; на 17-й и 18-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2011, 2012 гг.; на Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС», Москва, 2012 г.; на 12-й Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2012 г.

Публикации. Содержание диссертационной работы изложено в статьях и докладах, в трудах отечественных и международных конференций, список которых приведен выше. Основное содержание работы представлено в двух публикациях в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

Личный вклад автора. Автором диссертации создана экспериментальная установка с автоматизированной системой сбора и обработки информации и управления экспериментом, предназначенная для исследования теплообмена при конденсации паровых смесей на наружной поверхности гладких и оребренных труб; разработаны методы измерения коэффициентов теплоотдачи при псевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей. Проведено экспериментальное исследование теплообмена при конденсации паровой смеси вода - этанол на гладких и оребренных трубах в широком диапазоне изменения температурного напора пар-стенка при малых концентрациях этанола в смеси. Выполнено обобщение опытных данных и получены зависимости, рекомендуемые для расчета теплоотдачи.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 147 страниц состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и приложений и включает 45 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемых источников составляет 70 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана перспективность использования процесса псевдокапельной конденсации для интенсификации теплообмена в конденсаторах энергетических и промышленных установок.

Первая глава посвящена обзору исследований по данной проблеме. По обзору сделаны следующие выводы.

1. Псевдокапельная конденсация паровых смесей взаиморастворимых жидкостей (конденсация Марангони) - это весьма сложный физический процесс, который лишь в конце 1990-х годов начали детально изучать в нескольких научных лабораториях мира. В отличие от «классической» капельной конденсации чистого пара на лиофобной поверхности,

псевдокапельная конденсация протекает на смачиваемой поверхности. Таким образом, для организации процесса псевдокапельной конденсации не требуется применение лиофобизаторов, что открывает перспективы ее практического применения.

2. Наибольшее число работ, посвященных исследованию теплообмена при псевдокапельной конденсации, выполнено для паровых смесей воды с этанолом. Измерения теплоотдачи проводились при конденсации движущихся паровых смесей на вертикальной и горизонтальной пластинах, на вертикальной и горизонтальной гладких трубах. Изучалось влияние на теплоотдачу состава, скорости и давления смеси, температурного напора пар-стенка, наличия в смеси неконденсирующихся примесей, а также градиента температуры вдоль поверхности теплообмена. При псевдокапельной конденсации движущейся паровой смеси вода-этанол на вертикальной пластине для весьма малой (около 1%) массовой концентрации этанола в паровой смеси были получены коэффициенты теплоотдачи в 8 раз выше, чем при пленочной конденсации водяного пара. Значительное увеличение коэффициента теплоотдачи при переходе от пленочного режима конденсации паровой смеси к псевдокапельному режиму отмечено и в опытах, где в качестве поверхности теплообмена использовались вертикальные и горизонтальные гладкие трубы.

3. Практически все исследования теплоотдачи при псевдокапельной конденсации были проведены в условиях вынужденного движения паровой смеси, а имеющийся в литературе весьма ограниченный экспериментальный материал по конденсации практически неподвижных паровых смесей в режимах, отличных от пленочного, был получен только на горизонтальной гладкой трубе и при относительно высоких концентрациях низкокипящего компонента в смеси, т.е. при сильном негативном влиянии диффузионного сопротивления паровой фазы на теплоотдачу. Отсутствуют опытные данные по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации практически неподвижных паровых смесей на вертикальных гладких трубах. Псевдокапельная конденсация паровых смесей на оребренных горизонтальных трубах ранее не изучалась.

4. К настоящему времени созданы две расчетные модели псевдокапельной конденсации, которые содержат большое число допущений и лишь приближенно отражают весьма сложный механизм этого процесса, а соответствующие методики, предназначенные для вычисления коэффициентов теплоотдачи, основаны на ограниченном экспериментальном материале и не пригодны для практического использования. Обобщающие зависимости, предназначенные для расчета теплоотдачи при псевдокапельной конденсации паровых смесей, в литературе отсутствуют.

Все это говорит о необходимости дальнейшего экспериментального изучения теплообмена при псевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей взаиморастворимых жидкостей.

Во второй главе приводится описание экспериментальной установки, системы автоматизации эксперимента и методов измерений коэффициентов теплоотдачи. Установка состоит из двух замкнутых контуров, основного и вспомогательного (рис.1). В основной контур входят парогенератор, пароперегреватель и рабочий участок. Вспомогательный контур состоит из термостата с дистиллированной водой, циркуляционного насоса. и регулирующей арматуры. Он предназначен для отвода тепла от рабочего участка и связан также с системой автоматизации экспериментальной установки. Конденсация паровой смеси вода-этанол происходила на наружной поверхности медной трубки, установленной по оси рабочего участка. Использовались две гладкие опытные трубки, одна из которых была расположена горизонтально, а другая вертикально, а также три оребренные снаружи горизонтально расположенные опытные трубки. Гладкие трубки имели наружный диаметр 12,0 мм и толщину стенки 2,0 мм. Геометрические размеры оребренных труб приведены на стр.16. Длина участка конденсации для всех труб составляла 100 мм.

Рис. 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-термопары (Тс), 13 - платиновый термометр сопротивления (Т„); 14 - электромагнитный расходомер; 15 - регулятор мощности; 16 - модуль ввода сигналов термопар; 17- модуль ввода сигналов термометров сопротивления; 18 - модуль вывода 0-10В; 19 - конвертор интерфейсов К5485/иЗВ; 20 - шлюзовая камера

Основные элементы системы автоматизации эксперимента представлены на рис.1. Давление поддерживалось с высокой точностью с помощью ПИД-регулятора путем изменения мощности парогенератора. Управление работой термостата вспомогательного контура также производилось с помощью ПИД-регулятора, причем в качестве управляющего параметра была выбрана температура стенки. Это позволило при проведении эксперимента получать зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенка с заранее заданным шагом по температурному напору.

Коэффициент теплоотдачи а находили как отношение плотности теплового потока на стенке qc к температурному напору между паром и стенкой ДТ= Т5 -Тс. Плотность теплового потока на стенке определялась по расходу охлаждающей воды, измеряемому электромагнитным расходомером, и ее подогреву, который находили по результатам измерения среднемассовой температуры платиновыми термометрами сопротивления, установленными в потоке охлаждающей воды на входе в опытную трубку (Твх) и на выходе из нее (ТВых). Температура трубы измерялась заложенными в стенку термопарами, горячие спаи которых располагались вблизи ее наружной поверхности в среднем сечении участка конденсации. При вычислении ДТ использовалось среднее по периметру трубы значение температуры стенки (Тс). Температура конденсации Т3 определялась по диаграмме «температура -состав» для смеси вода-этанол с учетом давления в рабочем участке, измеряемого образцовым манометром, и состава смеси, который находили при помощи призматического рефрактометра.

Для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации на оребренных трубах наряду с описанным выше «прямым» методом в качестве дублирующего применялся также «косвенный» метод, основанный на представлении общего термического сопротивления в процессе конденсации пара в виде суммы его составляющих и не требующий измерения температуры стенки. Необходимая для его корректного использования уточненная зависимость для расчета теплоотдачи со стороны охлаждающей воды была получена при обработке опытных данных по конденсации чистого неподвижного водяного пара на гладкой горизонтальной трубе с использованием модифицированного метода Вильсона.

Экспериментальная установка позволяла в автоматизированном режиме производить сбор и обработку первичных данных, а также с высокой точностью управлять режимными параметрами эксперимента. Особое внимание было обращено на удаление из контура установки неконденсирующихся газов, которое проводилось путем многократных продувок из рабочего участка в атмосферу при работе установки на дистиллированной воде в течение 10-12 часов. Затем установка еще в течение 3-5 часов выводилась на заданный исходный стационарный режим.

Вначале проводились измерения коэффициентов теплоотдачи при пленочной конденсации чистого практически неподвижного водяного пара.

В случае хорошего согласования данных по теплоотдаче с расчетом по теории Нуссельта без выключения установки начинались опыты по конденсации паровой смеси вода-этанол. Для этого в воду, находящуюся в парогенераторе, через шлюзовую камеру добавляли жидкий этанол в количестве, необходимом для получения значения состава смеси, близкого к требуемому, после чего устанавливали стационарный режим и проводили автоматизированные измерения коэффициентов теплоотдачи при изменении АТ с заданным шагом. Затем из рабочего участка небольшой объем паровой смеси направлялся во вспомогательный конденсатор. Состав полученного в нем конденсата, равный составу паровой смеси в рабочем участке, измерялся с помощью призматического рефрактометра. Таким же прибором определяли состав пробы жидкой смеси, которая отбиралась из парогенератора. Состав паровой смеси, определенный по составу жидкости в парогенераторе с помощью диаграммы «температура-состав» для бинарной смеси вода-этанол, как правило, был близок к составу паровой смеси в рабочем участке.

Третья глава посвящена результатам опытов по конденсации паровой смеси вода-этанол на наружной поверхности гладких труб (горизонтальной и вертикальной). Опыты на горизонтальной гладкой трубе проводились при массовом содержания этанола в паровой фазе су = 0,8, 3,9 и 8,7%. Давление во всех опытах составляло 0,12 МПа. Температурный напор между паром и стенкой изменялся от 5К до 45К. Результаты опытов представлены на рис.2 виде графиков зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора. Там же показаны наши опытные данные по конденсации чистого неподвижного водяного пара, а также результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации паровой смеси вода-этанол, полученные в работе Мураси с сотр. при атмосферном давлении для значений с„, равных 1,1, 5,4 и 10,0% в условиях вынужденного поперечного обтекания горизонтально расположенной опытной трубки наружным диаметром 12,2 мм потоком паровой смеси со скоростью 0,15 м/с (минимальной из реализованных в этой работе). Опытные данные по теплоотдаче при конденсации чистого водяного пара в пределах 10% согласуются с расчетом по формуле Нуссельта.

При конденсации паровой смеси вода-этанол с ростом ДТ коэффициент теплоотдачи сначала увеличивается, проходит через максимум, а затем уменьшается, приближаясь к рассчитанному для пленочной конденсации смеси по теории Нуссельта. При су=0,8% и ДТ=5К было получено максимальное значение коэффициента теплоотдачи, которое составляло 42 кВт/(м2К), т.е. было в 2,3 раза выше, чем при конденсации чистого водяного пара (рис.2о). С увеличением концентрации этанола в смеси максимальное значение коэффициента теплоотдачи снижается, и ему соответствует более высокий температурный напор между паром и стенкой. Как следует из данных, представленных на рис.2, результаты наших измерений хорошо согласуются с данными работы Мураси с сотр. для соответствующих близких концентраций этанола.

II I I ) I I I Ч ч I I 11 I I I | I I I I | I I I ц I I I ц I I I 111 I ч | I I I ц

о 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

АТ, К

<¿40 ■ ь 30 ■

т

ю -

> о*? • •»

I °о° О

б)

• 1 о 2 —3

I 111 I 11 11 I 1111! 1111

10 15 20 25 30 35 40 45 60

ДТ, К

5 30 ■

<§ Я).

10 ■

с • •»«• * •

.0 ол

0 0 о 0а

I I1111111111111111II1111111111111111111111111111

о 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

ДТ, К

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенка при конденсации водяного пара и паровой Смеси вода-этанол на горизонтальных трубах.

а - точки: 1 - с„=0; 2 - с»=0,8%; 3 - данные Мураси с сотр. для с,=1,1%; 4 - кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для с»=0; б - точки: 1 - с„=3,9%; 2 - данные Мураси с сотр. для с»=5,4%; 3 - кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для с,=0; в - точки: 1 - с,=8,7%; 2 - данные Мураси с сотр. для су=10,0%; 3 - кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для с„=0

Опыты по конденсации на гладкой вертикальной трубе были выполнены на водяном паре и на паровой смеси вода-этанол при восьми значениях массового содержания этанола, которое в паровой фазе изменялось от 0,4% до 16%; давление составляло 0,12. ..0,13 МПа. Результаты измерений представлены на рис.3. Видно, что при конденсации водяного пара опытные данные по теплоотдаче хорошо согласуются с расчетом по формуле Нуссельта. В опытах по конденсации смеси при малых концентрациях этанола и температурных напорах около 5К были получены значения коэффициентов теплоотдачи, достигающие 90 кВт/(м2К), что в 4,5 раза больше, чем при пленочной конденсации чистого водяного пара (рис.За). На рис.36 и Зе при су=5,5...16% можно выделить три участка зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора (кривой конденсации): 1) участок с относительно низкими значениями коэффициента теплоотдачи, обусловленными значительной ролью диффузионного термического сопротивления; 2) участок, на котором происходит резкий рост коэффициента теплоотдачи в связи с переходом от пленочного режима конденсации к псевдокапельному; 3) ниспадающая часть кривой конденсации, где коэффициент теплоотдачи изменяется от максимального значения до величины, соответствующей пленочному режиму конденсации смеси. Опытные данные работы Хе с сотр. по конденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальной пластине для концентраций этанола в паре 1% и 3%, представленные на рис.За, согласуются с результатами наших измерений. Отметим также, что при близких су на ниспадающей части кривой конденсации при относительно небольших температурных напорах коэффициент теплоотдачи при конденсации паровой смеси на вертикальной трубе больше, чем на горизонтальной трубе (см. рис.2а, За). Температурный напор пар-стенка, при котором начинается резкий рост теплоотдачи (ДТ„.Р.), изменяется с ростом концентрации этанола в смеси и близок к разности между температурами конденсации и кипения для данного состава смеси (рис.4). Этот результат хорошо согласуется с данными Ютаки с сотр. для конденсации движущейся со скоростью до 1,5 м/с паровой смеси вода-этанол на вертикальной пластине, что позволяет сделать вывод о том, что значение ДТ„.Р. в основном определяется составом смеси.

Через смотровые окна рабочего участка проводилось наблюдение за гидродинамической картиной на поверхности трубы и выполнялась скоростная фотосъемка. На фотографиях, соответствующих первому участку кривой конденсации, отчетливо видны мелкие капли конденсата, т.е. даже при ДТ, меньших разности температур конденсации и кипения, режим уже не является чисто пленочным. Капли растут сравнительно медленно; их можно различить и без использования скоростной фотосъемки. Достигнув отрывного диаметра, капли скатываются с поверхности трубы. При увеличении ДТ до значений, соответствующих второму участку кривой конденсации, капли увеличиваются в размерах и имеют полусферическую форму. При дальнейшем росте температурного напора (уже на ниспадающей части кривой конденсации) средний размер капель и интенсивность их

190

= 80

= 70 60 50 40 30 20 10

5, ~Р

аэ

3 40

30

20

г? 100 —I

¥ 90-

со

* 80 -е 7060 50 40 30 20 10

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенка при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе: й-точки 1 - су=0; 2 - с,=0,4%, 3 - с,=0,8%; 4 - су=1,9%. Данные работы Хе с сотр. для конденсации на вертикальной пластине: 5 - с,=1 %; 6 - с,=3%; 7 - кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для ^=0; б - точки 1 - с,=5,5%; 2 - су=7,1%, 3 -с„=12%; 4 - кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для с„=0; в - точки 1 - с„=14,4%; 2 - су=16%; 3 - кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для с,=0

Су, %

Рис. 4. Зависимость температурного напора пар-стенка, соответствующего началу резкого роста теплоотдачи, от состава смеси. Данные для оребренных труб: 1 - 8=1,Змм; 2 - 8=2,Омм; 3 - 8=3,0мм; 4 - данные для вертикальной гладкой трубы; 5 - зависимость разности между температурами конденсации и кипения от состава смеси

удаления с поверхности возрастают; скатывающиеся капли сливаются в нерегулярные ручейки. При сравнительно больших ДТ происходит слияние ручейков и образуется сильно возмущенная пленка, которая при дальнейшем увеличении ДТ постепенно переходит в гладкую пленку. При этом коэффициенты теплоотдачи близки к значениям, рассчитанным по теории Нуссельта для пленочной конденсации паровой смеси на вертикальной трубе.

Для получения обобщающей зависимости для расчета теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубе использовались показанные на рис.2 наши данные и результаты работы Мураси с сотр., соответствующие, по данным визуальных исследований, псевдокапельному режиму конденсации на большей части периметра трубы (опытные точки на ниспадающих частях кривых конденсации). По опытным данным были определены критерии подобия, применявшиеся ранее в работах В.П. Исаченко для капельной конденсации водяного пара, а затем в работе Г.Н. Величко для конденсации паровых смесей:

0 да

Ш- ; = Рг=—\ „ =

Ъж-г-рж'АТк г-Цж аж г-Мж

Здесь используются следующие свойства смеси: а - коэффициент поверхностного натяжения; Лж - теплопроводность; г - теплота конденсации; И ж и - динамическая и кинематическая вязкость; аж - температуропроводность. Массовая доля этанола в конденсате обозначена через с; индекс «ж» относится к жидкой фазе.

Коэффициенты теплоотдачи рассчитывались по разности

температур АТК=Т, - Тс (т.е. соответствовали термическому сопротивлению жидкой фазы). Здесь Г; - температура границы раздела фаз, которая на основании результатов оценочного расчета для данных, соответствующих ниспадающей части кривой конденсации, принималась равной температуре кипения смеси заданного состава. Диапазон изменения числа Рг был невелик, поэтому с учетом результатов предыдущих исследований значение степени при числе Рг было принято равным 1/3. Степень при числе подобия Кк по опытным данным была получена равной 0,3.

_Ш _

На рис. 5 опытные данные представлены в виде 0,з р 1/3 — ^ (-ке-)-

0.001 0.01 0.1 Яе

Рис.5. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на горизонтальных трубах: 1 - Су =0,8%; 2 - су =3,9%; 3 - с„ =8,7%; Данные Мураси с сотр.: 4 - с»=1,1%; 5 - су =5,4%; 6 - Су =10%; 7 - обобщающая зависимость (1)

В итоге было получено уравнение подобия, рекомендуемое для расчета коэффициента теплоотдачи:

Ии = 1,61-Ю-7 • Ые"1'49-;г°'3 'Рг|/3

* (1)

Зависимость (1) описывает 93% опытных точек с разбросом ±25%. Физические свойства конденсата выбирались по температуре межфазной границы Г,-. Опытным данным соответствуют следующие диапазоны изменения определяющих величин: Яе =9- 10Л..5-10"2; щ= 0,04...0,21;

Рг=1,7...1,8. Отметим, что зависимость Ыи ~ соответствует

ак ~ АГ^"0,49, т.е. коэффициент теплоотдачи при псевдокапельной конденсации с ростом температурного напора снижается быстрее, чем при пленочном режиме конденсации.

Для обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче при конденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе и данных работы Хе с сотр., полученных на вертикальной пластине, использовались те же числа подобия (N11, 11е, Як и Рг), что и для горизонтальной трубы (рис.6). Была получена зависимость, которая с разбросом ±30% обобщает 90% опытных точек:

Л/и = 2,14-КГ8 ■Ы.е"1,97-Я"°,э -Рг1/3

Диапазоны изменения чисел подобия: Яе= 7-10"4...4,5-10"2; щ =0,016. ..0,23; Рг =1,7...2,1. Показатель степени при числе Ре в формуле (2), равный -1,97, соответствует зависимости схк ~ АТк ' Таким образом, в условиях псевдокапельной конденсации на вертикальной трубе и на вертикальной пластине коэффициент теплоотдачи гораздо сильнее зависит от температурного напора, чем при таком же режиме конденсации на горизонтальной трубе.

Яе

Рис.6. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе и вертикальной пластине: 1 - су=0,4%; 2 - с, =0,8%; 4- су =1,9%; 6 - с, =5,5%; 7 - су=7,1%; 8 - с, =12%; 9 - су=14,4%; 10 - с, =16%; данные Хе с сотр.: 3 - с¥=1%; 5 - с,=3%. 11 - обобщающая зависимость (2)

Четвертая глава посвящена исследованию теплоотдачи при конденсации паровой смеси вода-этанол на наружной поверхности трех горизонтальных оребренных медных труб. Они имели прямоугольные кольцевые ребра, при этом высота и толщина ребер для всех труб составляла 1,0 мм, диаметр по корням ребер 10,0 мм, а расстояние между ребрами з=1,3, 2,0 и 3,0 мм. Степень развития поверхности труб за счет оребрения была равна соответственно 2,05, 1,8 и 1,6. Опыты проводились при давлениях от 0,12 до 0,15 МПа, При расчете коэффициента теплоотдачи по опытным данным тепловой поток относили к поверхности гладкой трубы с диаметром, равным диаметру оребренной трубы по корням ребер. Предварительно на тех же трубах была проведена серия опытов по конденсации чистого водяного пара. Наибольшие значения коэффициентов теплоотдачи были получены при в=2 мм. Результаты опытов на чистом водяном паре хорошо согласуются с расчетом по методике Сринивасана с сотр. Эксперименты по конденсации паровой смеси вода-этанол проводились при трех значениях массовой концентрации этанола в паре: 8,7, 12 и 14,5%. Опытные данные по теплоотдаче, полученные «прямым» и «косвенным» методами, согласуются между собой в пределах 15%. На рис.7 представлены полученные с использованием «прямого» метода кривые конденсации для каждой концентрации этанола в паре при разных расстояниях между ребрами. Как и при конденсации паровой смеси на гладких трубах, каждую кривую конденсации можно разделить на три участка: 1) с преобладанием диффузионного сопротивления в паровой фазе и низкой теплоотдачей; 2) с резким ростом теплоотдачи; 3) ниспадающий участок кривой конденсации. При фиксированном расстоянии между ребрами увеличение сч приводит к повышению температурного напора пар-стенка, при котором начинается второй участок кривой конденсации. Наибольшее значение коэффициента теплоотдачи для су=8,7% примерно в 4 раза выше, чем при пленочной конденсации водяного пара на горизонтальной гладкой трубе, что связано как с развитием поверхности теплообмена, так и с интенсификацией теплообмена за счет перехода к псевдокапельному режиму конденсации. С ростом су максимальное значение коэффициента теплоотдачи понижается, и ему соответствуют все большие значения АТ. Начало резкого роста теплоотдачи, так же как при конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких трубах, соответствует достижению температурным напором пар-стенка значения ДТН.Р., близкого к разности температур конденсации и кипения на диаграмме фазового равновесия (рис. 4). На рис. 8 показаны наши опытные данные для оребренной трубы с в=2,0 мм, полученные при су -12%, в сравнении с опытными данными Мураси с сотр. по конденсации паровой смеси вода-этанол с близкой концентрацией этанола в паре (Су=10%) на горизонтальной гладкой трубе (при скорости смеси 0,15 м/с). Видно, что максимальное значение коэффициента теплоотдачи при конденсации на оребренной трубе примерно в 2 раза выше, чем при конденсации на гладкой трубе. Как и при конденсации на гладкой трубе, коэффициент теплоотдачи на

оребренной трубе снижается с ростом температурного напора в связи с постепенным переходом от псевдокапельного режима конденсации к пленочному. Однако даже при ДТ=30К коэффициент теплоотдачи на оребренной трубе примерно в 1,5 раза выше, чем на гладкой трубе.

Рис. 7. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенка при конденсации паровой смеси вода-этанол на оребренных трубах. а - э=1,3мм; б - з=2,0мм; в - 5=3,Омм; точки: 1 - Су=8,7%; 2- с» =12%; 3 _ сУ=14,5%; 4 - кривая, рассчитанная по теории Нуссельта для конденсации на гладкой трубе при су=0

О 5 10 15 20 25 30 35 ДТ, К

Рис.8. Сравнение опытных данных по теплоотдаче при конденсации паровой смеси вода-этанол на гладкой и оребренной трубах:

1 - оребренная труба с з=2мм, сч=12%; 2 - данные Мураси с сотр. для гладкой трубы, Су=10%

Таким образом, опытные данные, представленные в четвертой главе, свидетельствуют о том, что оребрение горизонтальных труб позволяет заметно интенсифицировать процесс теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол.

В приложениях приведен расчет среднеквадратичной погрешности измерения коэффициентов теплоотдачи, которая не превышала 10% для «прямого» метода и 15% для «косвенного» метода, а также помещены таблицы опытных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана экспериментальная установка с автоматизированной системой сбора и обработки информации и управления экспериментом, предназначенная для исследования теплообмена при конденсации паровых смесей на наружной поверхности гладких и оребренных труб; разработаны методы измерения коэффициентов теплоотдачи при псевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей.

2. Впервые проведено экспериментальное исследование теплоотдачи при псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на горизонтальной гладкой трубе в диапазоне малых массовых концентраций этанола в смеси (от 0,8% до 8,7%). Температурный напор пар-стенка изменялся от 5 до 46К. Отмечено, что максимальное значение коэффициента теплоотдачи в режиме псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол при массовой

концентрации этанола в смеси 0,8% в 2,3 раза выше, чем для пленочной конденсации водяного пара. Опытные данные хорошо согласуются с данными предыдущих исследований теплоотдачи при псевдокапельной конденсации паровых смесей на горизонтальных трубах.

3. Впервые выполнено экспериментальное исследование теплоотдачи при псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе. Опыты проведены в диапазоне изменения массовой концентрации этанола в смеси от 0,4% до 16% и температурных напоров пар-стенка от 2 до 43К. Максимальный коэффициент теплоотдачи был получен для массовой концентрации этанола 0,8% при температурном напоре пар-стенка 5К и был в 4,5 раза выше, чем при пленочной конденсации водяного пара. Отмечено, что при близких концентрациях этанола в смеси в области относительно небольших температурных напоров коэффициент теплоотдачи при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе больше, чем на горизонтальной трубе. Установлено, что начало перехода от пленочного режима конденсации к псевдокапельному, сопровождающееся быстрым ростом теплоотдачи, соответствует температурному напору пар-стенка, близкому к разности температур конденсации и кипения для данного состава смеси, что согласуется с данными, полученными другими авторами для движущейся паровой смеси.

4. Впервые получены экспериментальные данные по теплообмену при конденсации паровой смеси вода-этанол на горизонтальных оребренных трубах. Исследование выполнено на трех трубах с оребрением прямоугольной формы, отличавшихся расстоянием между ребрами, при изменении массового содержания этанола в паре от 8,7% до 14,5% и температурного напора пар-стенка от 6 до 32К. Наибольшее значение коэффициента теплоотдачи было в 4 раза выше, чем при пленочной конденсации водяного пара на горизонтальной гладкой трубе, что связано как с развитием поверхности теплообмена, так и с интенсификацией теплообмена за счет перехода к псевдокапельному режиму конденсации.

5. Проведена обработка опытных данных в безразмерном виде и получены обобщающие зависимости для расчета теплоотдачи при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на горизонтальных и вертикальных гладких трубах.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Чиндяков A.A., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах // Вестник МЭИ. 2013. №1. С. 46-54.

2. Чиндяков A.A., Смирнов Ю.Б. Обобщение опытных данных по теплообмену при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на трубах. // Вестник МЭИ. 2014. №2. С. 19-23.

3. Смирнов Ю.Б., Чиндяков A.A. Исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах. // Тезисы докладов Национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС». М.: Издательский дом МЭИ. 2012. С. 185-186. (материалы доклада - на CD).

4. Чиндяков A.A., Смирнов Ю.Б. Экспериментальное исследование теплообмена паровой смеси вода-этанол на трубах. // Тезисы докладов Международной научной школы «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических технологиях». М.: Издательский дом МЭИ. 2011. С. 84-86.

5. Чиндяков A.A., Смирнов Ю.Б. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации Марангони. // Тезисы докладов 12-й Международной научной школы молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Новосибирск. 2012. С. 122.

6. Чиндяков A.A., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при псевдокапельной конденсации паровой смеси этанол-вода на трубах. // Тезисы докладов 18-й Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в новых энергетических технологиях». Звенигород. 2011. С. 225-226.

7. Чиндяков A.A., Смирнов Ю.Б. Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации (конденсации Марангони) паровой смеси вода-этанол на наружной поверхности трубы. // Тезисы докладов 17-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. 2011. Т.З. С. 80-81.

8. Чиндяков A.A., Смирнов Ю.Б. Теплообмен при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах. // Тезисы докладов 18-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. 2012. Т.4. С. 58-59.

и JJÍ Тираж ЮР

Полиграфический центр МЭИ, Москва, Красноказарменная 13.