酒精-水混合蒸氣在水平管外凝結換熱的實驗研究

喬宏斌, 王　順, 胡申華

(南京工程學院 電力仿真與控制工程中心, 江蘇 南京　211167)

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酒精-水混合蒸氣在水平管外凝結換熱的實驗研究

喬宏斌, 王順, 胡申華

(南京工程學院 電力仿真與控制工程中心, 江蘇 南京211167)

在壓力分別為31.16kPa和47.5kPa下,進行了酒精氣相質(zhì)量分數(shù)為0%、1%、5%,10%的凝結換熱實驗并觀測了凝結形態(tài),混合蒸氣的質(zhì)量流量為10kg/h和14kg/h,實驗圓管長度為150mm,外徑為16mm,壁厚為3mm,管外的換熱系數(shù)通過Gnielinski關聯(lián)式計算。實驗研究發(fā)現(xiàn),混合蒸氣的凝結形態(tài)為珠狀凝結,混合蒸氣的換熱系數(shù)比同樣實驗條件的純水蒸氣都有不同程度的提高,尤其是1%濃度的混合蒸氣。隨著質(zhì)量流量和壓力的增大,換熱系數(shù)有所提高,在當前的流量變化范圍內(nèi),壓力的影響更大一些。

Marangoni凝結； 混合蒸氣； 換熱系數(shù)

Nusselt[1]在1916年首次在研究豎壁層流膜狀凝結的理論解基礎上推導出了純水蒸氣在水平單管外膜狀凝結換熱系數(shù)的理論解經(jīng)典公式。近幾十年來,各研究者發(fā)表過單種工質(zhì)在水平光滑單管外的膜狀凝結換熱結果(實驗條件與Nusselt單管模型[1]所假設的情況相近)與Nusselt單管模型預測值的誤差大部分都在±20%范圍內(nèi)[2-6]。在雙工質(zhì)方面,在管外凝結換熱方面,大都集中在冷卻劑。Park等[7]對混合工質(zhì)R410A、R407C在圓管外的冷凝特性進行了研究。成昌銳等[8]在水平光管外進行了R407C的冷凝換熱實驗。水中加入少量物質(zhì)(酒精或氨等)可以產(chǎn)生Marangoni效應。目前,國內(nèi)外對于Marangoni凝結的研究很多。Mirkovich和Missen[9-10]于1961 年首先拍攝到了相溶性雙組分混合蒸氣的這種非膜狀凝結現(xiàn)象。Kim等[11]進行的水平管束外凝結換熱實驗,使用了兩種傳熱促進添加劑,對水蒸氣的凝結換熱最高可增強30%。Chris等[12]研究了在水平管殼式冷凝器通過加入少量氨實現(xiàn)了水蒸氣換熱的增強，得出加入氨水濃度在0.2%～0.9%時,平均傳熱熱系數(shù)提高了14%。當氨水濃度在0.2%～2%時,局部傳熱系數(shù)能提高34%。李楊等[13]及胡申華[14]在豎直管外和水平管外進行了相關實驗的研究表明,凝結表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著流速的增加而增加。在圓管外傳熱研究中,如何獲得圓管外的換熱系數(shù)是最重要的問題。本文設計搭建了水平管外的Marangoni凝結實驗臺,通過理論計算的方法推算出管外的換熱系數(shù),研究蒸氣的濃度對換熱系數(shù)的影響。

1　實驗系統(tǒng)裝置

實驗系統(tǒng)裝置示意圖見圖1,分為蒸氣循環(huán)系統(tǒng)、實驗管段冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、輔助凝汽器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

圖1　實驗系統(tǒng)裝置示意圖

蒸氣凝結換熱循環(huán)系統(tǒng)主要由蒸氣發(fā)生器、實驗管段(即圓管)、輔助冷凝器(管殼式換熱器)、冷卻水循環(huán)以及相關的連接管路和閥門組合而成。純工質(zhì)(水)或混合工質(zhì)(水和酒精)在蒸氣發(fā)生器中通過電加熱絲加熱蒸發(fā)生成水蒸氣或者混合蒸氣,由蒸氣發(fā)生器生成的飽和蒸氣經(jīng)過上升管送至實驗窗內(nèi),與實驗窗內(nèi)的圓管內(nèi)的冷卻水進行換熱,并在圓管的壁面上凝結,凝結的液體以及還未凝結的剩余蒸氣一并從實驗段腔下部的出口送入到輔助冷凝器系統(tǒng),繼續(xù)完全凝結。最終在輔助冷凝器凝結的所有工質(zhì)液體會在重力的作用下經(jīng)回水管再次流入蒸氣發(fā)生器,從而完成整個工質(zhì)的循環(huán)。

實驗腔體結構如圖2(a)所示,為盡量保證流經(jīng)水平銅管的蒸氣流速沿水平方向分布均勻,在蒸氣進口和出口處,各設計一段漸擴和漸縮部分,以利于蒸氣流速分布的均勻。實驗腔體的前部開有視窗。因實驗是在負壓下進行,為保證實驗腔體具有良好的氣密性,采用如圖2(b)所示的裝配結構,實驗銅管是通過中部開孔的橡膠塞連接,橡膠塞放置在實驗腔體的V型槽內(nèi),通過外側的壓板緊密壓接在腔體上,可以提供很高的氣密性,并能防止實驗銅管與腔體的傳熱。

圖2　實驗腔體結構及裝配方式

實驗圓管材質(zhì)是紫銅,長度180mm,外徑16mm,壁厚3mm。在實驗系統(tǒng)中,安裝了渦街流量計,測量范圍為0～40kg/h,基本誤差為±1%,用于測定蒸氣流量。測定冷卻水流量的渦輪流量計的測量范圍為0～0.25m3/h,工作壓力≤6.3Mpa,基本誤差為±1%。溫度測量采用T型熱電偶,直徑為0.2mm,經(jīng)過仔細標定,測溫精度為0.1 ℃。壓力傳感器的測量范圍為0～150kPa,基本誤差為±1%。在實驗銅管的進出口設置了測溫點,測量進出口的水溫。

實驗過程中,要保證系統(tǒng)壓力恒定,可通過調(diào)節(jié)輔助凝汽器的冷卻水流量。在具體實現(xiàn)上,是通過變頻器接受壓力信號,自動調(diào)節(jié)輔助凝汽器的水量,達到壓力恒定的實驗目的。

利用文獻[15]的方法對傳熱系數(shù)h的不確定度進行分析。導熱系數(shù)λ的不確定度取為2%,溫度t的不確定度取為0.1 ℃,h的不確定性為4%～19%。

2　數(shù)據(jù)處理方法

由于理論的凝結換熱系數(shù)是由實驗管段——圓管內(nèi)流體向圓管外進行推算的,所以首先要將圓管內(nèi)的換熱系數(shù)計算出來。管內(nèi)換熱系數(shù)由Gnielinski[16]關聯(lián)式計算獲得。努賽爾數(shù)Nuf計算式如下：

(1)

式中：f是管內(nèi)流體流動的阻力系數(shù),Re為雷諾數(shù),Nuf為努賽爾數(shù),Prf是冷卻水在定性溫度下的普朗特數(shù)；f=(1.82lgRe-1.64)-2,該關聯(lián)式的驗證條件是：Re=2 300～1×106,Prf=0.6～1×105;本文取冷卻水進出口溫度的平均值,即tf=(tf1+tf2)/2,tf1為出口溫度,tf2為進口溫度;PrW為管內(nèi)壁面溫度為twi時冷卻水的普朗特數(shù),di為圓管內(nèi)徑,l為圓管長度。

本實驗中,按照能量守恒定律：圓管內(nèi)部的冷卻水全部吸收了蒸氣的熱量,并按冷卻水吸熱量來計算,有

(2)

式中：Q為圓管內(nèi)部冷卻水吸熱量,Cp為冷卻水的比熱容(J/kg·℃),tf2和tf1分別為冷卻水的進出口溫度,qm為冷卻水質(zhì)量流量(kg/s)。

圓管內(nèi)換熱系數(shù)hin為

(3)

式中：λf為循環(huán)冷卻水的導熱系數(shù)(W/m·K),twi圓管內(nèi)壁溫度(℃)。

圓管外壁溫度two有

(4)

式中,λ是圓銅管導熱系數(shù),ri、ro是圓管內(nèi)外半徑(m)。

圓管外凝結換熱系數(shù)是說明凝結傳熱特性的最直接的參數(shù),直接顯示出圓管的換熱效果的好壞,因此凝結換熱系數(shù)的確定對本實驗非常重要。本文運用牛頓冷卻公式計算圓管外的凝結換熱系數(shù)hout。

(5)

式中：ts為蒸氣飽和壓力下的蒸氣溫度,do為圓管外直徑。

Prw為內(nèi)壁面溫度為twi時的圓管內(nèi)流體的普朗特數(shù),該值在本實驗中未知,因此必須對其進行圓管內(nèi)壁溫度假設,然后對其進行迭代，最后才能進行(3)—(5)的計算。迭代過程見圖3。

圖3　運用Gnielinski關聯(lián)式理論計算的迭代過程

3　實驗結果和分析

3.1凝結形態(tài)

圖4為實驗過程中拍攝到的凝結形態(tài)圖,該圖片是在氣相質(zhì)量分數(shù)為1%、壓力為31kPa、過冷度為10K時拍攝的,很明顯,在銅管表面形成了珠狀凝結而不是純水蒸氣凝結時的膜狀凝結。

圖4　Marangoni珠狀凝結形態(tài)圖

3.2不同酒精蒸氣濃度對冷凝換熱特性的影響

測得不同酒精蒸氣濃度下傳熱系數(shù)隨過冷度變化曲線見圖5。由圖5可知：在酒精蒸氣質(zhì)量分數(shù)為1%時,凝結傳熱特性最明顯,此時的凝結傳熱系數(shù)最大；酒精質(zhì)量分數(shù)為0%時換熱系數(shù)最低,并呈現(xiàn)不斷下滑的走向；當酒精蒸氣質(zhì)量分數(shù)高于1%時,通過凝結特性曲線可以觀察到冷凝換熱系數(shù)與酒精蒸氣質(zhì)量分數(shù)為1%的相比表現(xiàn)出明顯的減小趨勢。如果假定在冷凝表面上的溫度均勻分布,即形成溶質(zhì)Marangoni凝結,對于所有的不同酒精濃度的冷凝傳熱系數(shù)伴隨

過冷度的逐漸升高,表現(xiàn)出相同的規(guī)律：在整個過冷度范圍內(nèi),無論是純蒸氣的凝結系數(shù),還是混合蒸氣的凝結系數(shù)均表現(xiàn)出不斷滑落趨勢。圖5是在工況壓力p=31.16kpa和p=47.5kPa,流量U=10kg/h的情況下測得的傳熱系數(shù)隨著過冷度變化的特性曲線。其中酒精質(zhì)量分數(shù)為1%時,隨過冷度增大換熱系數(shù)在較小的過冷度范圍內(nèi)劇烈下滑；在過冷度Δt≤4 ℃時,下滑趨勢最為明顯;在Δt≥4 ℃范圍內(nèi),凝結表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著過冷度增大呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢;當酒精氣相質(zhì)量分數(shù)We∞≥1%時,傳熱系數(shù)表現(xiàn)出相同的下降趨勢,但是在6～7 ℃之間呈現(xiàn)出緩慢下滑趨勢。

圖5　濃度對換熱系數(shù)的影響

從圖5中可以看到，純水蒸氣的凝結特性在整體的Marangoni冷凝換熱特性中最低,任何的We∞≥0%的二元工質(zhì)蒸氣的凝結換熱特性均高于純水蒸氣的冷凝換熱特性。純水的冷凝換熱特性伴隨著過冷度的不斷變大,其冷凝表面的冷凝換熱特性不斷緩慢減小,呈現(xiàn)出下降趨勢。當過冷度Δt≥8 ℃后,純水蒸氣的冷凝傳熱系數(shù)略小于酒精質(zhì)量分數(shù)為5%和10%的混合蒸氣的冷凝傳熱系數(shù)。

從圖5(b)可以看出,壓力處于p=47.36kPa的實驗條件下,酒精質(zhì)量分數(shù)We∞=1%和5%的冷凝換熱曲線在過冷度初始階段,兩者的冷凝系數(shù)不相上下,濃度較高的酒精混合蒸氣對形成的Marangoni凝結起到促進作用,可以認為這個范圍內(nèi)酒精蒸氣濃度有助于冷凝表面的表面張力梯度的快速形成。此時的凝液薄膜上表面張力梯度較大,加快marangoni冷凝液滴的形成,提高了換熱系數(shù)；酒精氣相濃度We∞=10%的冷凝傳熱曲線與純水的冷凝傳熱曲線相比,傳熱特性并沒有提高,表明過高的酒精濃度反而不利于“準珠狀”凝結液滴的形成,蒸氣與冷凝換熱壁面接觸時間短,冷凝液體減少,傳熱系數(shù)表現(xiàn)很低。

3.3混合蒸氣流量對冷凝換熱特性的影響

圖6給出了不同蒸氣流量對換熱系數(shù)的影響程度，其流量U=10kg/h和U=14kg/h。

從圖6可以看出，在混合蒸氣中酒精質(zhì)量分數(shù)為0%時，當流量增大時,純水蒸氣的冷凝表面的換熱系數(shù)略有提高,流量U=14kg/h的凝結換熱特性在過冷度初期表現(xiàn)出高于U=10kg/h的凝結換熱特性。但是總體對比,觀察到流量的增大并沒有對凝結表面的凝結傳熱特性產(chǎn)生較大影響。

從圖6(b)可看出，混合蒸氣酒精質(zhì)量分數(shù)為1%時,伴隨著流量的增大,酒精和水混合蒸氣的冷凝表面換熱特性有了較大提高。蒸氣流量對冷凝換熱系數(shù)表現(xiàn)出單調(diào)增加的走向。

從上面圖示整體看來,伴隨著氣相酒精蒸氣流量增大,酒精和水混合蒸氣的局部冷凝傳熱系數(shù)則單調(diào)增大，蒸氣流量只在數(shù)值方向進行了增加。通過上面對比,可以知道蒸氣流量仍影響著各冷凝換熱系數(shù),但對于不同的酒精濃度影響不同。相對于較低酒精濃度,流量對酒精濃度的作用較劇烈,明顯看出冷凝傳熱系數(shù)隨著過冷度的不斷變大而逐漸降低,下降速率較大,此時的凝結傳熱系數(shù)最高可達到47 000W·m-2·K-1。當酒精質(zhì)量分數(shù)大于5%時,混合蒸氣流量對冷凝傳熱特性的作用并不大,在整個過冷度區(qū)間內(nèi),冷凝系數(shù)下降趨勢比較緩慢。

圖6　蒸氣流量對換熱系數(shù)的影響

流量U=10kg/h和U=14kg/h均屬于小流量,即混合蒸氣在流動過程中,流速較小,對于擴散熱阻的干擾作用不大,擴散熱阻減弱幅度并不明顯,凝結曲線上升幅度并不大。

3.3混合蒸氣壓力對冷凝換熱特性的影響

圖7對比了不同壓力對凝結換熱特性的影響,為了與前人的研究進行對比,我們?nèi)=31.5kPa和p=47.36kPa。

圖7　蒸氣壓力對換熱系數(shù)的影響

從圖7可知，純水蒸氣的壓力對換熱系數(shù)的影響并不大,當酒精氣相質(zhì)量分數(shù)為1%時蒸氣壓力對換熱系數(shù)有影響。在p=31.5kPa下的換熱系數(shù)比在p=47.36kPa下的換熱系數(shù)有所減小。不過,壓力下的凝結傳熱特性與流量下的凝結傳熱特性相比,壓力對其的影響相對較大。

4　結論

通過搭建的實驗臺進行的混合蒸氣凝結實驗,得出的結論如下：

(1) 通過可視化研究,證明混合蒸氣的凝結形態(tài)為珠狀凝結；

(2) 混合蒸氣的換熱系數(shù)比同樣實驗條件的純水蒸氣都有不同程度的提高,尤其是酒精質(zhì)量分數(shù)為1%的混合蒸氣的換熱系數(shù)最大；

(3) 換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量和壓力的增大而增大,相比于流量,在當前的流量變化范圍內(nèi),壓力的影響更大一些。

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Experimentalresearchofcondensationheattransferofethanol-watervaporoutsidehorizontaltube

QiaoHongbin,WangShun,HuShenhua

(ElectricPowerSimulationandControlEngineeringCenter,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China)

Anexperimentalloophasbeenestablishedtomeasurethecondensationheattransfercoefficientofethanol-watermixedvaporinatube,thepressuresare31.16kPaand47.16kPa,themassconcentrationsofethanolvaporphaseare0%,1%,5%and10%,vapormassfluxis10kg/hor14kg/h.Theexperimentaltubehasalengthof1 500mm,outerdiameterof16mmandawallthicknessof3mm.TheheattransfercoefficientofoutsideoftubeisacquiredbyGnielinskicorrelation.Theexperimentshowsthatdropwisemodewouldappearmixedvaporcondensing,fordifferentconcentrationvapor,heattransfercoefficientincreasedinvariousdegrees,especiallyfor1%.TheHTCalsoincreasedalittlewithincreaseofmassfluxandpressure,andtheeffectofpressureonHTCisgreatercomparedtomassflux.

Marangonicondensation;mixedvapor;HTC(heattransfercoefficient)

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.016

2015- 11- 17修改日期：2016- 01- 04

國家自然科學基金項目(50966003)

喬宏斌(1969—)，男，江蘇寶應，碩士，講師，主要從事火電廠的仿真開發(fā)及凝結換熱研究.

E-mail：123697618@qq.com

TK121

A

1002-4956(2016)5- 0052- 06