Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Чиндяков Андрей Анатольевич

Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах
<
Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Чиндяков Андрей Анатольевич. Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах: диссертация ... кандидата технических наук: 01.04.14 / Чиндяков Андрей Анатольевич;[Место защиты: Московский энергетический институт].- Москва, 2014.- 147 с.

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Теплообмен при псевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей (обзор литературы) 10

1.1 Непленочные режимы конденсации бинарных паровых смесей 10

1.2 Теплоотдача при псевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей 16

1.3 Теплообмен при конденсации пара и паровых смесей на оребренных горизонтальных трубах 40

1.4 Выводы по главе 1 и задачи исследования 47

ГЛАВА II. Экспериментальная установка и методы исследования теплообмена 50

ГЛАВА III. Результаты исследования теплообмена при конденсации паровой смеси вода – этанол на гладких трубах 67

3.1 Горизонтальная гладкая труба .67

3.2 Вертикальная гладкая труба 68

3.3 Анализ опытных данных по теплоотдаче 72

3.4 Результаты визуального исследования и скоростной фотосъемки процесса псевдокапельной конденсации 78

3.5 Термические сопротивления в процессе псевдокапельной конденсации 83

3.6 Обобщение опытных данных по теплоотдаче при конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких трубах 84

ГЛАВА IV. Исследование теплообмена при конденсации паровой смеси вода – этанол на оребренных Горизонтальных трубах .93

Выводы 106

Литература

Теплоотдача при псевдокапельной конденсации бинарных паровых смесей

При конденсации бинарных паровых смесей веществ, неограниченно смешивающихся в жидкой фазе, режим течения конденсата не всегда является пленочным, даже если процесс образования конденсата протекает на хорошо смачиваемой поверхности. Впервые это было отмечено в 1961 г. Мирковичем и Миссеном [1], которые изучали процесс конденсации нескольких бинарных паровых смесей органических веществ на поверхности вертикального цилиндра. Для паровых смесей пентан-метанол и пентан-метилендихлорид заданного состава наблюдался капельный режим конденсации, который при увеличении температурного напора между паром и стенкой (Т) сменялся полосообразным или ручейковым, а затем пленочным. Было также обнаружено, что при заданном значении Т увеличение концентрации пентана в смеси приводило к переходу от капельной конденсации к пленочной. Таким образом, при некоторых условиях наблюдаемый процесс конденсации паровых смесей неограниченно смешивающихся в жидкой фазе веществ на смачиваемой поверхности был похож на капельную конденсацию чистого пара на гидрофобной поверхности.

Исследуя процесс конденсации паровых смесей вода-этанол и вода-метанол на горизонтальной трубе, Фуджи с сотр. [2] тоже обнаружили значительное различие структуры потока конденсата в зависимости от характеристик процесса (состава смеси, давления и плотности теплового потока). При относительно низких концентрациях этанола и небольших тепловых потоках режим конденсации был капельным. С увеличением концентрации этанола на поверхности пленки появлялись нерегулярные полосы, а также «кольца» - сравнительно регулярно расположенные возвышения. При самых высоких концентрациях этанола, соответствующих составу смеси, близкому к азеотропному, наблюдалась практически гладкая пленка конденсата.

Гото и Фуджи [3] провели исследование процесса конденсации смесей R114-R11 и R12-R114 на горизонтальной трубе. Ими были представлены фотографии, из которых следует, что при увеличении концентрации низкокипящего компонента смеси пленочный режим конденсации переходил в «кольцевой», который затем вновь сменялся пленочным.

Подробное описание непленочных режимов течения конденсата при конденсации паровых смесей для случая смесей этанол-вода, ацетон-вода и изопропанол-вода на горизонтальной трубе представлено в работах Величко Г.Н. и др. [4-6]. В экспериментах со смесью этанол-вода наблюдались «серьезные нарушения пленочного характера стекания конденсата» уже при массовой концентрации этанола в конденсате около 1%, а при концентрации этанола в конденсате 4-6% происходило полное разрушение пленки, и конденсация имела «устойчивый капельный характер». При этом было замечено, что промежутки между каплями заняты тонкой пленкой конденсата, из которой конденсат подсасывается в капли при их росте. Эксперименты Величко Г.Н. были проведены в широком диапазоне изменения концентрации смеси, но основное внимание уделялось области высоких концентраций низкокипящего компонента смеси (более 30% в паре), в которой наблюдается наибольшее число режимов стекания конденсата. При увеличении концентрации этанола или тепловой нагрузки происходила смена режимов: капли меняли форму со сферической на полусферическую с основанием неправильной формы, затем наблюдались капельно-ручейковые, пленочно-ручейковые и пленочные режимы стекания конденсата. В 1968г. Форд и Миссен [7] впервые связали образование непленочных режимов конденсации бинарных паровых смесей с проявлением эффекта Марангони. Если контактирующий с паром участок поверхности жидкости с относительно высоким поверхностным натяжением находится также в контакте с участком жидкости с меньшим поверхностным натяжением, то участок с более высоким поверхностным натяжением спонтанно сжимается, свободная энергия поверхности уменьшается, в результате чего в жидкости возникает конвекция. Форд и Миссен ввели критерий устойчивости пленки конденсата. Они показали, что если d/d 0 (здесь - коэффициент поверхностного натяжения, - толщина пленки), то пленка конденсата устойчива по отношению к возмущениям на ее поверхности, а при d/d 0 пленка не является устойчивой, т.е. возмущения, нарастая, могут приводить к ее разрушению и появлению непленочных режимов течения конденсата или переходу к капельной конденсации.

Анализ данных, приведенных в литературе, показывает, что при небольшой разности поверхностных натяжений компонентов смеси Д т (например, для смеси метанол-этанол, где Д т = 0,00057 Н/м при 200С) наблюдается лишь пленочная конденсация. С увеличением этой разности эффект Марангони проявляется все сильнее, при этом растет и число режимов конденсации. Так, для смеси фреонов R114-R11 (Д т = 0,007 Н/м) в [3] наблюдались лишь кольцевой и пленочный режимы, в то время как для смесей воды с органическими жидкостями, например, для смесей этанол-вода (Д т = 0,050 Н/м), изопропанол-вода (Д т = 0,052 Н/м) число режимов конденсации, согласно данным [4], достигало пяти.

Режимы непленочной конденсации паровой смеси, при которых конденсат находится на охлаждаемой поверхности в виде капель, называют псевдокапельной конденсацией. Псевдокапельная конденсация имеет, пожалуй, два основных отличия от «классической» капельной конденсации чистого пара на гидрофобной поверхности. Во-первых, как показали измерения [8], при любых режимных параметрах процесса псевдокапельной конденсации паровой смеси на стенке всегда имеется пленка жидкости толщиной не менее 1 мкм, что на несколько порядков больше, чем при капельной конденсации чистого пара на гидрофобной поверхности. Во-вторых, как уже отмечалось, при псевдокапельной конденсации наблюдаются разнообразные виды структуры потока конденсата, чего нельзя сказать о капельной конденсации. Поскольку процесс псевдокапельной конденсации связан с проявлением эффекта Марангони, для него широко применяется термин «конденсация Марангони». Псевдокапельную конденсацию иногда также называют капельной конденсацией Марангони.

Наиболее полное объяснение физических процессов, имеющих место при конденсации Марангони, которое было дано в работе Хиджикаты с соавторами [9], заключается в следующем. При конденсации таких бинарных смесей, где менее летучий компонент имеет большее поверхностное натяжение (в литературе их называют «позитивными системами»), пленка конденсата является потенциально неустойчивой. Любая, даже незначительная ее деформация (волнообразование на поверхности пленки) приводит к тому, что в том месте, где пленка тоньше (во впадине), температура на ее поверхности ниже, чем на гребне волны (рис. 1.1). При наличии фазового равновесия на поверхности пленки концентрация менее летучего компонента в жидкости на гребне волны становится больше, чем во впадине. Возникает градиент поверхностного натяжения, который вызывает движение жидкости от впадины к гребню волны, в результате чего амплитуда волн на поверхности пленки увеличивается. Это приводит к дальнейшему росту разности между температурами гребня волны и впадины, увеличению градиента поверхностного натяжения и в итоге - к разрушению пленки и переходу к псевдокапельной конденсации.

Теплообмен при конденсации пара и паровых смесей на оребренных горизонтальных трубах

Уравнение, обобщающее данные [4] по конденсации паровых смесей в капельном режиме, который, согласно визуальным исследованиям, проявлялся при массовых концентрациях низкокипящего компонента меньше значения, соответствующего максимальной разности температур конденсации и кипения для данной бинарной смеси, имеет следующий вид: Nu = 0,84-10 7 -Re 125 -я-/.3 -Рг1/3 (1.2) Опытным данным, на основе которых была получена эта зависимость, соответствуют следующие диапазоны определяющих критериев подобия: Re=(0,071,2)10-2; 7гк=(0,26)10-2; Pr=28. Коэффициент теплоотдачи соответствовал термическому сопротивлению конденсата: ак — —- , где ATK=Tt — Тс; Tt — температура границы раздела фаз, которая полагалась равной температуре кипения при заданной концентрации смеси; таким образом, диффузионное термическое сопротивление паровой фазы в (1.2) не учитывалось. Физические свойства смеси, входящие в (1.2), определялись по ТІ.

Из формулы (1.2) следует, что ак АТК-0,25, т.е. по данным [4] при псевдокапельной конденсации получается точно такая же зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора, как при пленочной конденсации пара и паровых смесей взаиморастворимых жидкостей. Какого-либо объяснения этому факту в работе [4] не приводится. Заметим, что для капельной конденсации водяного пара в том же диапазоне изменения числа Re в ряде работ была получена гораздо более сильная зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора. Например, в работе Исаченко В.П. [39] найдено, что а T-0,57, а в работе Якушевой Е.В. [40] -a T1.

При более высоких концентрациях низкокипящего компонента в смеси в опытах [4] отмечалось усиление слияния капель и наблюдались различные смешанные непленочные режимы стекания конденсата. Для этого диапазона концентраций смеси автором была получена другая эмпирическая зависимость, описывающая опытные данные по теплоотдаче с погрешностью около 15%.

Изложенные выше результаты исследований теплоотдачи при псевдокапельной конденсации на гладких пластинах и трубах показывают, что при малой концентрации в смеси низкокипящего компонента и небольших температурных напорах удается получить коэффициенты теплоотдачи в несколько раз большие, чем при пленочной конденсации чистого водяного пара. Однако с увеличением температурного напора происходит снижение коэффициентов теплоотдачи за счет перехода псевдокапельного режима конденсации в пленочный. При росте концентрации низкокипящего компонента в смеси теплоотдача также уменьшается, но уже в основном за счет роста диффузионного термического сопротивления паровой фазы. Все это приводит к необходимости интенсификации теплоотдачи при псевдокапельной конденсации практически неподвижных паровых смесей.

Одним из хорошо изученных способов интенсификации теплообмена при пленочной конденсации чистого практически неподвижного пара на горизонтальных трубах является их наружное оребрение. Важным фактором, влияющим на процесс конденсации пара на оребренной трубе, является сила поверхностного натяжения. С одной стороны, она приводит к заливу конденсатом нижней части оребрения, что вызывает блокирование этой доли теплообменной поверхности и снижение теплового потока. С другой стороны, на не залитой конденсатом части оребренной поверхности трубы сила поверхностного натяжения стягивает пленку конденсата с ребер в межреберные канавки, в результате чего толщина пленки на боковой поверхности ребер уменьшается, а тепловой поток растет. При выборе оптимальных геометрических параметров оребрения тепловой поток со стороны конденсирующегося пара увеличивается сильнее, чем возрастает площадь поверхности теплообмена вследствие оребрения.

Исследования конденсации пара на оребренных трубах были начаты в 1940-х годах; тогда же Битти и Катцем была разработана первая модель для расчета теплообмена [41], основанная на формулах теории Нуссельта и не учитывающая влияния сил поверхностного натяжения. Позднее появились апробированные на большом экспериментальном материале многочисленные расчетные модели, в которых уже тем или иным образом учитывалось влияние поверхностного натяжения на теплообмен при конденсации пара на оребренных трубах. Наиболее известными из них являются модели Адамека и Уэбба [42], Оуэна с сотр. [43], Хонды c сотр. [44], Гогонина и Кабова [45,46], Роуза [47] и Сринивасана с сотр. [48]. Подробный обзор экспериментальных и теоретических работ по теплообмену при конденсации пара на оребренных трубах представлен в диссертации СВ. Анисимова, выполненной на кафедре инженерной теплофизики МЭИ [49].

Рассмотрим более подробно работы Роуза [47] и Сринивасана с сотр. [48], т.к. полученные в них расчетные соотношения будут далее использованы нами для сравнения с полученными опытными данными по теплоотдаче при конденсации чистого водяного пара на оребренных горизонтальных трубах.

В работе [47] предлагается методика расчета теплообмена при конденсации пара на горизонтальных трубах с ребрами прямоугольного и трапецеидального профиля. После проведения детального анализа процесса стекания пленки конденсата, рассмотренного с учетом влияния поверхностного натяжения жидкости на толщину пленки конденсата на ребре, в [47] было получено выражение для коэффициента интенсификации теплообмена &лт:

Анализ опытных данных по теплоотдаче

Показатель степени при числе Re в формуле (3.4), равный -1,97, соответствует зависимости ак ДГк 0 97. Таким образом, в условиях псевдокапельной конденсации на вертикальной трубе и на вертикальной пластине коэффициент теплоотдачи гораздо сильнее зависит от температурного напора, чем на горизонтальной трубе. Отметим, что в опытах [10] по конденсации на вертикальной пластине паровой смеси вода-этанол, движущейся со скоростью 0,4 м/c, при относительно небольших концентрациях этанола в смеси (cv 12%) ниспадающая часть кривой дгр-0,9 конденсации примерно соответствует зависимости ак ДТк , что хорошо согласуется с результатами нашей работы. Однако в этом диапазоне изменения cv коэффициенты теплоотдачи на ниспадающей части кривой конденсации при одинаковых cv и ДГк в работе [10] были на 40-50% выше, чем наши данные, что связано с сильным влиянием скорости паровой смеси на теплоотдачу при псевдокапельной конденсации, особенно при малых концентрациях этанола в смеси. При самых больших температурных напорах, когда псевдокапельный режим течения конденсата переходит в пленочный, различие в значениях ак, полученных нами и авторами [10], может быть также связано с тем, что в работе [10] длина пластины составляла 20 мм, в то время как в нашей работе длина участка конденсации была равной 100 мм.

Представленные в предыдущей главе результаты исследования теплоотдачи при псевдокапельной конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол на гладких трубах показывают, что при малой концентрации в смеси низкокипящего компонента (этанола) и небольших температурных напорах пар-стенка удается получить коэффициенты теплоотдачи в несколько раз большие, чем при пленочной конденсации чистого водяного пара. Однако с увеличением температурного напора пар-стенка происходит снижение коэффициентов теплоотдачи за счет перехода капельного режима конденсации в пленочный. Увеличение концентрации этанола в смеси вначале приводит к некоторому росту коэффициентов теплоотдачи, а затем за счет роста диффузионного сопротивления в паре они снижаются. Все это приводит к необходимости разработки способов интенсификации теплоотдачи при псевдокапельной конденсации практически неподвижных паровых смесей.

Измерение коэффициентов теплоотдачи при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанол на оребренных трубах

Исследование теплоотдачи при конденсации паровой смеси вода-этанол было проведено на трех медных трубах с прямоугольными кольцевыми ребрами. Диаметр трубок по корням ребер был равен 10,0мм, высота и ширина ребер – 1,0мм, а расстояние между ребрами (s) составляло 1,3, 2,0 и 3,0мм. Соответствующие значения степени развития поверхности за счет оребрения были равны 2,05, 1,8 и 1,6. Все опыты на трубах с s=1,3 мм и s=2,0мм проводились при давлении паровой смеси, близком к 0,12 МПа. На трубе с s=3 мм в опытах при cv=0 и cv=8,7% давление составляло 0,13 МПа, а при cv=12% и cv=14,5% - 0,15 МПа. Перед началом серии экспериментов по конденсации паровой смеси проводились опыты по конденсации чистого водяного пара на оребренных трубах. Результаты этих опытов, проведенных при изменении Т от 5К до 32К, представлены на рисунке 4.1. Видно, что для оребренных труб с s=1,3 мм и s=2,0 мм зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора практически совпадают, что согласуется с результатами проведенных ранее работ - известно, что коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на оребренных трубах слабо зависит от расстояния между ребрами, а оптимальное значение

При максимальном s, равном 3,0 мм, разброс опытных точек возрастает, что можно объяснить тем, что при таком относительно большом расстоянии между ребрами нарушается регулярный режим стекания конденсата с нижней части трубы. Отметим, что коэффициенты теплоотдачи при конденсации чистого водяного пара на оребренных трубах примерно в 2 раза выше, чем рассчитанные по теории Нуссельта для конденсации на гладкой трубе с наружным диаметром 10 мм, т.е. равным диаметру оребренных труб, определенному по корням ребер. Коэффициенты теплоотдачи при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанол на оребренных трубах, представленные на рис. 4.1 и всех следующих рисунках, также относили к поверхности гладкой трубы с наружным диаметром 10 мм.

Опытные данные, полученные при конденсации водяного пара, сравнивались с результатами расчетов по методикам Роуза [47] и Сринивасана с сотр. [48]; результаты представлены на рис. 4.2 – 4.4. Отметим, что наши данные при s=1,3 мм и s = 2,0 мм хорошо согласуются с расчетом по [48], причем тем лучше, чем меньше расстояние между ребрами. Опытные точки для s=3,0 мм также располагаются ближе к расчетной кривой [48], чем к результату расчета по [47].

После завершения серии опытов по конденсации чистого водяного пара были проведены эксперименты по конденсации паровой смеси вода-этанол на тех же трех оребренных трубах при значениях массовой концентрации этанола в паре cv=8,7%, 12,0% и 14,5%. На рис. 4.3 представлены зависимости коэффициента теплоотдачи, измеренного с использованием «прямого» метода, от температурного напора пар-стенка для каждой концентрации этанола в паре и при разных расстояниях между ребрами. Эти результаты опубликованы нами в работах [62, 64-69].

Как и при конденсации паровой смеси на гладких трубах, каждую кривую конденсации можно условно разделить на три участка: 1)участок с преобладанием диффузионного сопротивления в паровой фазе; 2)участок, на котором наблюдается резкий рост теплоотдачи за счет перехода к псевдокапельному режиму конденсации; 3)участок, где коэффициент теплоотдачи снижается до величины, соответствующей пленочному режиму конденсации смеси.

Обобщение опытных данных по теплоотдаче при конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких трубах

Сравнение опытных данных по теплоотдаче при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол с cv=0,8% для различной ориентации трубы (рис.3.5) показало, что при небольших температурных напорах (Т 10K) коэффициент теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубе заметно ниже, чем на вертикальной. Это можно объяснить тем, что в данных условиях на верхней части горизонтальной трубы режим конденсации был псевдокапельным, а на нижней ее части - пленочным (это подтверждается данными визуальных наблюдений, приведенными в работах [4] и [28]), в то время как при конденсации на вертикальной трубе при сочетании небольших cv и Т нами наблюдался только псевдокапельный режим конденсации. С ростом Т коэффициент теплоотдачи при конденсации смеси на вертикальной трубе быстро снижается из-за перехода от псевдокапельного режима конденсации к пленочному и при Т 20K становится меньше, чем при конденсации на горизонтальной трубе, а при Т =38K его значение Рис. 3.3 Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенка при конденсации водяного пара и паровой смеси вода-этанол на вертикальной трубе:

Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора пар-стенка при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на трубах: точки 1 – сv=0,8% (вертикальная труба); 2 – сv=0,8% (горизонтальная труба); данные расчета по формуле Нуссельта для cv=0: 3 – вертикальная труба; 4 –горизонтальная труба практически совпадает с рассчитанным по теории Нуссельта для пленочной конденсации чистого водяного пара.

Как было отмечено в главе 1, в условиях псевдокапельной конденсации движущейся паровой смеси вода-этанол на вертикальной пластине и на горизонтальной трубе коэффициенты теплоотдачи существенно различаются между собой. По данным, приведенным в [28], видно, что это различие особенно велико при малых концентрациях этанола в паре и небольших температурных напорах пар-стенка. Так, при cv = 1% и Т5К и скорости паровой смеси Vп=0,35 м/с коэффициент теплоотдачи в опытах [29], проведенных на вертикальной пластине, составил около 125 кВт/м2, а в опытах [28], где процесс конденсации происходил на горизонтальной трубе, при близких значениях cv , Т и Vп коэффициент теплоотдачи почти был в 2 раза ниже – около 63 кВт/м2. С ростом cv и Т различие коэффициентов теплоотдачи, полученных в опытах на вертикальной пластине и на горизонтальной трубе, уменьшается. Таким образом, показанные на рис. 3.5 результаты, полученные нами для конденсации практически неподвижной паровой смеси, в качественном отношении вполне согласуются с данными работ [28] и [29], где опыты выполнялись в условиях движущейся паровой смеси вода-этанол. Отметим, что как в работе В.П. Исаченко [39], так и в весьма содержательной обзорной статье Роуза [37] существенного влияния формы и ориентации поверхности на теплоотдачу в условиях капельной конденсации чистого водяного пара отмечено не было. По данным работы [58], при капельной конденсации водяного пара на вертикальной пластине коэффициент теплоотдачи был на 15-20% выше, чем на горизонтальной трубе.

Из опытных данных, представленных на рис.3.6, следует, что температурный напор пар-стенка, при котором начинается рост теплоотдачи, т.е. происходит переход ко второму участку кривой конденсации (Тн.р.), заметно изменяется с ростом концентрации этанола в смеси и близок к разности между температурами конденсации и кипения для данного состава смеси. Видно, что эти данные, полученные для практически неподвижной паровой смеси вода-этанол, удовлетворительно согласуются с результатами работы [10] по конденсации смеси на вертикальной пластине при скоростях 0,4 и 1,5 м/с. Это позволяет предположить, что значение Тн.р. в основном определяется составом смеси. В отличие от пленочной конденсации чистого пара, при псевдокапельной конденсации паровой смеси даже сравнительно небольшое увеличение скорости паровой фазы приводит к заметному росту теплоотдачи, что связано как с уменьшением толщины диффузионного слоя, так и с воздействием потока паровой смеси на капли, находящиеся на поверхности весьма тонкой пленки жидкости, покрывающей обтекаемую поверхность. Это подтверждается сравнением полученных нами максимальных значений коэффициента теплоотдачи при конденсации практически неподвижной паровой смеси вода-этанол различного состава на вертикальной трубе с данными работы [10], где скорость потока смеси при продольном обтекании вертикальной пластины составляла 0,4 м/c (рис.3.7). Рис. 3.6. Зависимость температурного напора пар-стенка, соответствующего началу резкого роста теплоотдачи, от концентрации этанола в паре: точки 1 – вертикальная труба, неподвижный пар;

Через смотровые окна, расположенные на рабочем участке, проводилось наблюдение за гидродинамической картиной на поверхности опытной трубки и выполнялась скоростная фотосъемка участка трубы, на котором проходил процесс конденсации. На рис. 3.8 представлена кривая конденсации, полученная на вертикальной трубе для cv=5,5 %; далее размещена серия фотографий, сделанных при различных значениях температурного напора, соответствующих точкам, отмеченным буквами на рис. 3.8. Точка А находится на первом участке кривой конденсации, где температурные напоры меньше, чем разность температур конденсации и кипения, определенной для данного состава смеси по диаграмме фазового равновесия. На фотографии, соответствующей точке А, отчетливо видны мелкие капли конденсата, т.е. даже при этом сравнительно небольшом температурном напоре режим уже не является пленочным. Капли растут сравнительно медленно; их можно различить и без использования скоростной фотосъемки. Достигнув отрывного диаметра, капли скатываются с поверхности трубки. При увеличении Т до значений, несколько больших разности температур конденсации и кипения, т.е. на участке с резким увеличением теплоотдачи, капли увеличиваются в размерах и имеют полусферическую форму (точка В). При дальнейшем увеличении температурного напора (от точки С к точке D) средний размер капель и интенсивность их удаления с поверхности возрастают. Затем (участок между D и Е) скатывающиеся капли сливаются в нерегулярные ручейки. При сравнительно больших Т (между точками Е и F) происходит слияние ручейков и образуется сильно возмущенная пленка, которая при дальнейшем увеличении температурного напора (при Т более высоких, чем в точке F) постепенно переходит в гладкую пленку. В этой области, как следует из рис.3.8, коэффициенты теплоотдачи уже близки к значениям, рассчитанным по теории Нуссельта для пленочной конденсации чистого водяного пара на вертикальной трубе.

Похожие диссертации на Экспериментальное исследование теплообмена при псевдокапельной конденсации паровой смеси вода-этанол на гладких и оребренных трубах