酒精-水混合蒸气在水平管外凝结换热的实验研究

乔宏斌, 王　顺, 胡申华

(南京工程学院 电力仿真与控制工程中心, 江苏 南京　211167)



酒精-水混合蒸气在水平管外凝结换热的实验研究

乔宏斌, 王顺, 胡申华

(南京工程学院 电力仿真与控制工程中心, 江苏 南京211167)

在压力分别为31.16kPa和47.5kPa下,进行了酒精气相质量分数为0%、1%、5%,10%的凝结换热实验并观测了凝结形态,混合蒸气的质量流量为10kg/h和14kg/h,实验圆管长度为150mm,外径为16mm,壁厚为3mm,管外的换热系数通过Gnielinski关联式计算。实验研究发现,混合蒸气的凝结形态为珠状凝结,混合蒸气的换热系数比同样实验条件的纯水蒸气都有不同程度的提高,尤其是1%浓度的混合蒸气。随着质量流量和压力的增大,换热系数有所提高,在当前的流量变化范围内,压力的影响更大一些。

Marangoni凝结； 混合蒸气； 换热系数

Nusselt[1]在1916年首次在研究竖壁层流膜状凝结的理论解基础上推导出了纯水蒸气在水平单管外膜状凝结换热系数的理论解经典公式。近几十年来,各研究者发表过单种工质在水平光滑单管外的膜状凝结换热结果(实验条件与Nusselt单管模型[1]所假设的情况相近)与Nusselt单管模型预测值的误差大部分都在±20%范围内[2-6]。在双工质方面,在管外凝结换热方面,大都集中在冷却剂。Park等[7]对混合工质R410A、R407C在圆管外的冷凝特性进行了研究。成昌锐等[8]在水平光管外进行了R407C的冷凝换热实验。水中加入少量物质(酒精或氨等)可以产生Marangoni效应。目前,国内外对于Marangoni凝结的研究很多。Mirkovich和Missen[9-10]于1961 年首先拍摄到了相溶性双组分混合蒸气的这种非膜状凝结现象。Kim等[11]进行的水平管束外凝结换热实验,使用了两种传热促进添加剂,对水蒸气的凝结换热最高可增强30%。Chris等[12]研究了在水平管壳式冷凝器通过加入少量氨实现了水蒸气换热的增强，得出加入氨水浓度在0.2%～0.9%时,平均传热热系数提高了14%。当氨水浓度在0.2%～2%时,局部传热系数能提高34%。李杨等[13]及胡申华[14]在竖直管外和水平管外进行了相关实验的研究表明,凝结表面传热系数随着流速的增加而增加。在圆管外传热研究中,如何获得圆管外的换热系数是最重要的问题。本文设计搭建了水平管外的Marangoni凝结实验台,通过理论计算的方法推算出管外的换热系数,研究蒸气的浓度对换热系数的影响。

1　实验系统装置

实验系统装置示意图见图1,分为蒸气循环系统、实验管段冷却水循环系统、辅助凝汽器冷却水循环系统。

图1　实验系统装置示意图

蒸气凝结换热循环系统主要由蒸气发生器、实验管段(即圆管)、辅助冷凝器(管壳式换热器)、冷却水循环以及相关的连接管路和阀门组合而成。纯工质(水)或混合工质(水和酒精)在蒸气发生器中通过电加热丝加热蒸发生成水蒸气或者混合蒸气,由蒸气发生器生成的饱和蒸气经过上升管送至实验窗内,与实验窗内的圆管内的冷却水进行换热,并在圆管的壁面上凝结,凝结的液体以及还未凝结的剩余蒸气一并从实验段腔下部的出口送入到辅助冷凝器系统,继续完全凝结。最终在辅助冷凝器凝结的所有工质液体会在重力的作用下经回水管再次流入蒸气发生器,从而完成整个工质的循环。

实验腔体结构如图2(a)所示,为尽量保证流经水平铜管的蒸气流速沿水平方向分布均匀,在蒸气进口和出口处,各设计一段渐扩和渐缩部分,以利于蒸气流速分布的均匀。实验腔体的前部开有视窗。因实验是在负压下进行,为保证实验腔体具有良好的气密性,采用如图2(b)所示的装配结构,实验铜管是通过中部开孔的橡胶塞连接,橡胶塞放置在实验腔体的V型槽内,通过外侧的压板紧密压接在腔体上,可以提供很高的气密性,并能防止实验铜管与腔体的传热。

图2　实验腔体结构及装配方式

实验圆管材质是紫铜,长度180mm,外径16mm,壁厚3mm。在实验系统中,安装了涡街流量计,测量范围为0～40kg/h,基本误差为±1%,用于测定蒸气流量。测定冷却水流量的涡轮流量计的测量范围为0～0.25m3/h,工作压力≤6.3Mpa,基本误差为±1%。温度测量采用T型热电偶,直径为0.2mm,经过仔细标定,测温精度为0.1 ℃。压力传感器的测量范围为0～150kPa,基本误差为±1%。在实验铜管的进出口设置了测温点,测量进出口的水温。

实验过程中,要保证系统压力恒定,可通过调节辅助凝汽器的冷却水流量。在具体实现上,是通过变频器接受压力信号,自动调节辅助凝汽器的水量,达到压力恒定的实验目的。

利用文献[15]的方法对传热系数h的不确定度进行分析。导热系数λ的不确定度取为2%,温度t的不确定度取为0.1 ℃,h的不确定性为4%～19%。

2　数据处理方法

由于理论的凝结换热系数是由实验管段——圆管内流体向圆管外进行推算的,所以首先要将圆管内的换热系数计算出来。管内换热系数由Gnielinski[16]关联式计算获得。努赛尔数Nuf计算式如下：

(1)

式中：f是管内流体流动的阻力系数,Re为雷诺数,Nuf为努赛尔数,Prf是冷却水在定性温度下的普朗特数；f=(1.82lgRe-1.64)-2,该关联式的验证条件是：Re=2 300～1×106,Prf=0.6～1×105;本文取冷却水进出口温度的平均值,即tf=(tf1+tf2)/2,tf1为出口温度,tf2为进口温度;PrW为管内壁面温度为twi时冷却水的普朗特数,di为圆管内径,l为圆管长度。

本实验中,按照能量守恒定律：圆管内部的冷却水全部吸收了蒸气的热量,并按冷却水吸热量来计算,有

(2)

式中：Q为圆管内部冷却水吸热量,Cp为冷却水的比热容(J/kg·℃),tf2和tf1分别为冷却水的进出口温度,qm为冷却水质量流量(kg/s)。

圆管内换热系数hin为

(3)

式中：λf为循环冷却水的导热系数(W/m·K),twi圆管内壁温度(℃)。

圆管外壁温度two有

(4)

式中,λ是圆铜管导热系数,ri、ro是圆管内外半径(m)。

圆管外凝结换热系数是说明凝结传热特性的最直接的参数,直接显示出圆管的换热效果的好坏,因此凝结换热系数的确定对本实验非常重要。本文运用牛顿冷却公式计算圆管外的凝结换热系数hout。

(5)

式中：ts为蒸气饱和压力下的蒸气温度,do为圆管外直径。

Prw为内壁面温度为twi时的圆管内流体的普朗特数,该值在本实验中未知,因此必须对其进行圆管内壁温度假设,然后对其进行迭代，最后才能进行(3)—(5)的计算。迭代过程见图3。

图3　运用Gnielinski关联式理论计算的迭代过程

3　实验结果和分析

3.1凝结形态

图4为实验过程中拍摄到的凝结形态图,该图片是在气相质量分数为1%、压力为31kPa、过冷度为10K时拍摄的,很明显,在铜管表面形成了珠状凝结而不是纯水蒸气凝结时的膜状凝结。

图4　Marangoni珠状凝结形态图

3.2不同酒精蒸气浓度对冷凝换热特性的影响

测得不同酒精蒸气浓度下传热系数随过冷度变化曲线见图5。由图5可知：在酒精蒸气质量分数为1%时,凝结传热特性最明显,此时的凝结传热系数最大；酒精质量分数为0%时换热系数最低,并呈现不断下滑的走向；当酒精蒸气质量分数高于1%时,通过凝结特性曲线可以观察到冷凝换热系数与酒精蒸气质量分数为1%的相比表现出明显的减小趋势。如果假定在冷凝表面上的温度均匀分布,即形成溶质Marangoni凝结,对于所有的不同酒精浓度的冷凝传热系数伴随

过冷度的逐渐升高,表现出相同的规律：在整个过冷度范围内,无论是纯蒸气的凝结系数,还是混合蒸气的凝结系数均表现出不断滑落趋势。图5是在工况压力p=31.16kpa和p=47.5kPa,流量U=10kg/h的情况下测得的传热系数随着过冷度变化的特性曲线。其中酒精质量分数为1%时,随过冷度增大换热系数在较小的过冷度范围内剧烈下滑；在过冷度Δt≤4 ℃时,下滑趋势最为明显;在Δt≥4 ℃范围内,凝结表面传热系数随着过冷度增大呈现出缓慢下降趋势;当酒精气相质量分数We∞≥1%时,传热系数表现出相同的下降趋势,但是在6～7 ℃之间呈现出缓慢下滑趋势。

图5　浓度对换热系数的影响

从图5中可以看到，纯水蒸气的凝结特性在整体的Marangoni冷凝换热特性中最低,任何的We∞≥0%的二元工质蒸气的凝结换热特性均高于纯水蒸气的冷凝换热特性。纯水的冷凝换热特性伴随着过冷度的不断变大,其冷凝表面的冷凝换热特性不断缓慢减小,呈现出下降趋势。当过冷度Δt≥8 ℃后,纯水蒸气的冷凝传热系数略小于酒精质量分数为5%和10%的混合蒸气的冷凝传热系数。

从图5(b)可以看出,压力处于p=47.36kPa的实验条件下,酒精质量分数We∞=1%和5%的冷凝换热曲线在过冷度初始阶段,两者的冷凝系数不相上下,浓度较高的酒精混合蒸气对形成的Marangoni凝结起到促进作用,可以认为这个范围内酒精蒸气浓度有助于冷凝表面的表面张力梯度的快速形成。此时的凝液薄膜上表面张力梯度较大,加快marangoni冷凝液滴的形成,提高了换热系数；酒精气相浓度We∞=10%的冷凝传热曲线与纯水的冷凝传热曲线相比,传热特性并没有提高,表明过高的酒精浓度反而不利于“准珠状”凝结液滴的形成,蒸气与冷凝换热壁面接触时间短,冷凝液体减少,传热系数表现很低。

3.3混合蒸气流量对冷凝换热特性的影响

图6给出了不同蒸气流量对换热系数的影响程度，其流量U=10kg/h和U=14kg/h。

从图6可以看出，在混合蒸气中酒精质量分数为0%时，当流量增大时,纯水蒸气的冷凝表面的换热系数略有提高,流量U=14kg/h的凝结换热特性在过冷度初期表现出高于U=10kg/h的凝结换热特性。但是总体对比,观察到流量的增大并没有对凝结表面的凝结传热特性产生较大影响。

从图6(b)可看出，混合蒸气酒精质量分数为1%时,伴随着流量的增大,酒精和水混合蒸气的冷凝表面换热特性有了较大提高。蒸气流量对冷凝换热系数表现出单调增加的走向。

从上面图示整体看来,伴随着气相酒精蒸气流量增大,酒精和水混合蒸气的局部冷凝传热系数则单调增大，蒸气流量只在数值方向进行了增加。通过上面对比,可以知道蒸气流量仍影响着各冷凝换热系数,但对于不同的酒精浓度影响不同。相对于较低酒精浓度,流量对酒精浓度的作用较剧烈,明显看出冷凝传热系数随着过冷度的不断变大而逐渐降低,下降速率较大,此时的凝结传热系数最高可达到47 000W·m-2·K-1。当酒精质量分数大于5%时,混合蒸气流量对冷凝传热特性的作用并不大,在整个过冷度区间内,冷凝系数下降趋势比较缓慢。

图6　蒸气流量对换热系数的影响

流量U=10kg/h和U=14kg/h均属于小流量,即混合蒸气在流动过程中,流速较小,对于扩散热阻的干扰作用不大,扩散热阻减弱幅度并不明显,凝结曲线上升幅度并不大。

3.3混合蒸气压力对冷凝换热特性的影响

图7对比了不同压力对凝结换热特性的影响,为了与前人的研究进行对比,我们取p=31.5kPa和p=47.36kPa。

图7　蒸气压力对换热系数的影响

从图7可知，纯水蒸气的压力对换热系数的影响并不大,当酒精气相质量分数为1%时蒸气压力对换热系数有影响。在p=31.5kPa下的换热系数比在p=47.36kPa下的换热系数有所减小。不过,压力下的凝结传热特性与流量下的凝结传热特性相比,压力对其的影响相对较大。

4　结论

通过搭建的实验台进行的混合蒸气凝结实验,得出的结论如下：

(1) 通过可视化研究,证明混合蒸气的凝结形态为珠状凝结；

(2) 混合蒸气的换热系数比同样实验条件的纯水蒸气都有不同程度的提高,尤其是酒精质量分数为1%的混合蒸气的换热系数最大；

(3) 换热系数随着质量流量和压力的增大而增大,相比于流量,在当前的流量变化范围内,压力的影响更大一些。

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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

国家自然科学基金项目(50966003)

乔宏斌(1969—)，男，江苏宝应，硕士，讲师，主要从事火电厂的仿真开发及凝结换热研究.

E-mail：123697618@qq.com

TK121

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1002-4956(2016)5- 0052- 06