蒸汽流速對(duì)豎直管外Marangoni凝結(jié)換熱特性影響的實(shí)驗(yàn)研究.docx

1、第29卷第5期工程熱物理學(xué)報(bào)Vol.29,No.52008年5月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSMay,2008_i.-一一-一蒸汽流速對(duì)豎直管外Marangoni凝結(jié)換熱特性影響的實(shí)驗(yàn)研究李楊1喬磊2嚴(yán)俊杰1胡申華3(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家藏點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049:2, 深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳518031;新曜大學(xué)電氣工程學(xué)院，新赧烏每木齊830008)摘要本文在不同蒸汽流速F對(duì)水-酒精混合蒸汽在朋苴管外Marangoni凝結(jié)換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明：在相同蒸汽壓力F,混合蒸汽在啜宜管外凝結(jié)換熱系數(shù)隨蒸汽流速的增加而

2、增加.當(dāng)蒸汽酒精濃度較低時(shí)(1%、2%、5%),凝結(jié)換熱系數(shù)隨流速的增加而明顯增加.當(dāng)蒸汽酒精濃度較高時(shí)(20%、50%),流速的增加對(duì)凝結(jié)換熱系數(shù)影響較小.這主要是由于蒸汽流速在低酒精濃度F對(duì)凝結(jié)擴(kuò)散層熱阻的影響大于在高灑精濃度F對(duì)擴(kuò)散層熱阻的影響.關(guān)鍵詞水-酒精；Marangoni；凝結(jié)換熱；流速；管外中圖分類號(hào)，O359+.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0253-231X(2008)05-0792-03MARANGONICONDENSATIONONEXTERNALWALLOFVERTICALTUBEUNDERDIFFERENTVAPORVELOCITIESLIYang1QIAOLei2YAN

3、Jun-Jie1HUShen-Hua3(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710019,China;2. ChinaNuclearPowerDesignCompany,Ltd.,Shenzhen518031,China;3. CollegeofElectricalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830008,China)AbstractTheeffectofvaporvelocityontheconden

4、sationheattransfercharacteristicsoftheethanol-watcrvapormixturesonverticaltubewasinvestigated.Theresultsindicatedthat,underthesamevaporpressure,thecondensationheattransfercoefficientsgenerallyincreasedwithincreasingvaporvelocity.However,thereweresomedifferenceswhenthedifferentethanolconcentrationswe

5、reused.Atlowerethanolconcentrations(1%,2%,5%),withtheincreaseofthevaporvelocity,theheattransfercoefficientsincreasednoticeably.Athigherethanolconcentrations(20%,50%),theeffectofvaporvelocityontheheattransfercoefficientsbecameless.Itispossiblethat,withtheincreaseoftheethanolconcentration,theeffectoft

6、hevaporvelocityonthevapordiffusionlayerbecomeslessbecausethevapordiffusionlayergrowsthicker.Keywordsethanol-water;Marangoni;condensationheattransfer:vaporvelocity;externalwalloftube0引言在二元非共沸混合蒸汽的凝結(jié)液表面，由于濃度的隨機(jī)變化而產(chǎn)生的表面張力梯度的隨機(jī)變化，使凝結(jié)液表面產(chǎn)生Marangoni珠狀凝結(jié).1961年Mirkovich和Misscn在進(jìn)行凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)時(shí)育先觀察到了這種珠狀凝結(jié)的現(xiàn)象.Hijik

7、ata【3l用實(shí)驗(yàn)測(cè)得了換熱系數(shù)，解釋了是由于凝結(jié)狀態(tài)的改變以及二元混合蒸汽凝結(jié)時(shí)的擴(kuò)散熱阻所引起的.Utaka【4對(duì)水-酒精混合蒸汽的凝結(jié)換熱與蒸汽流速的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.嚴(yán)俊杰同等進(jìn)行了水-酒精混合蒸汽在豎直平板表面的凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)，分析了蒸汽濃度與壓力對(duì)凝結(jié)換熱系數(shù)的影響.本文在蒸汽壓力47.36kPa下，研究了不同濃度收稿日期：2007-10-16:修訂日期：2008-02-16基金項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基僉項(xiàng)目資助(N。.50476048,No.50521601)作者簡(jiǎn)介:李楊(】978)，男，陜西西安人，博士研究生，主要從書(shū)多相流和相變換熱的研究.793李楊等：蒸汽流速對(duì)豎直管外Mar

8、angoni凝結(jié)換熱特性影響的實(shí)驗(yàn)研究圖1實(shí)驗(yàn)件示意圖Fig.lThedimensionoftesttuberu-10mm_-n=4mm111111r槽<3整水-酒精混合蒸汽在豎直管外的凝結(jié)換熱隨蒸汽流速變化的規(guī)律，為進(jìn)一步分析水酒精混合蒸汽在豎直管外Marangoni凝結(jié)換熱過(guò)程奠定基礎(chǔ).1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法Marangoni凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為三個(gè)循環(huán)：混合蒸汽循環(huán)，射流冷卻水循環(huán)以及抽真空循環(huán).文獻(xiàn)5對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹.實(shí)驗(yàn)銅管采用戴面為半圓形結(jié)構(gòu)，如圖1所示.根據(jù)試件中間一排熱電偶直接測(cè)得壁面內(nèi)溫度以及熱電偶和冷卻面距離，可計(jì)算出凝結(jié)面測(cè)點(diǎn)處熱流密度，管壁溫度.再由三根熱電偶

9、測(cè)量混合蒸汽的溫度，即可得到表面過(guò)冷度以及凝結(jié)換熱系數(shù).烈熱電隅2實(shí)驗(yàn)結(jié)果在蒸汽壓力47.36kPa,蒸汽流速分別為2ms-1、4、6ms'1條件下，完成了不同濃度水-酒精混合蒸汽在豎直管外的凝結(jié)換熱特性實(shí)驗(yàn).2.1凝結(jié)換熱特性曲線圖2為不同酒精濃度混合蒸汽在豎直管外凝結(jié)換熱系數(shù)隨蒸汽流速變化曲線。從圖2可以看出蒸汽流速的變化對(duì)于水蒸汽的凝結(jié)換熱系數(shù)影響微弱.當(dāng)混合蒸汽酒精濃度為1%、2%、5%時(shí)，流速的增加對(duì)凝結(jié)換熱系數(shù)的影響較大.當(dāng)酒精濃度增加至20%時(shí)，蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱系數(shù)的影響逐漸減弱，當(dāng)酒精濃度為50%時(shí)凝結(jié)換熱系數(shù)增量最小.2.2蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱系數(shù)峰值的影響根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)

10、果，對(duì)不同蒸汽流速下凝結(jié)換熱系數(shù)峰值的絕對(duì)變化量和相對(duì)變化量進(jìn)行了對(duì)比.如表1所示.當(dāng)流速由2mb】增加到4ms-1,凝結(jié)換熱系數(shù)的最大增量出現(xiàn)在酒精濃度為2%時(shí)，最大增量為24kW.m-2.KT；凝結(jié)換熱系數(shù)的最大增幅出現(xiàn)在酒精濃度為5%時(shí)，增幅為37%.凝結(jié)換熱系數(shù)的最小增幅出現(xiàn)在酒精濃度為50%時(shí)，增幅僅為2%.圖2凝結(jié)換熱系數(shù)隨蒸汽流速變化Fig.2Theeffectofvaporvelocityonheattransfercoefficients圖2凝結(jié)換熱系數(shù)隨蒸汽流速變化Fig.2Theeffectofvaporvelocityonheattransfercoefficients

11、1801601401201008060402018016014012010080604020180160140120100806040200Qe)、M上卷(冬表】不同流速下凝結(jié)換熱系數(shù)峰值增量分析Table1Thecomparisonofthepeakvaluesofcoefficientsunderdifferentvaporvelocities、酒精濃度1.02.05.020.050.0h147106853713U=4nrs'1M5.86.911.719.833.3h12582623211U=2ms'1r4.57.710.120.532.3絕對(duì)增量Ah22242352相對(duì)增

12、量bh!a17.629.23715.618.22.3蒸汽流速對(duì)凝結(jié)形態(tài)的影響圖3為不同酒精濃度（C=2%、20%）混合蒸汽在相同蒸汽壓力，不同流速（l/=2ms-1、4mb，794794工程熱物理學(xué)報(bào)29卷6m-S-1)下，凝結(jié)換熱系數(shù)達(dá)到峰值時(shí)的凝結(jié)狀態(tài).當(dāng)蒸汽濃度為2%,U=2ms-1時(shí)，混合蒸汽凝結(jié)狀態(tài)為珠狀凝結(jié)，液珠較大；但隨著流速的增大，在(J=4m.sT時(shí)，液珠變小變密，而H出現(xiàn)了少量的條紋狀凝結(jié)，但主體仍然為珠狀凝結(jié)；當(dāng)流速增大到U=6msI時(shí)，液珠進(jìn)一步變小變密.當(dāng)蒸汽濃度為20%時(shí)，凝結(jié)狀態(tài)隨流速增加也有類似的變化.隨著蒸汽流速的增加，凝結(jié)液滴變得更加細(xì)小密集.(7=6ms1

13、(7=6ms1C=2%P=47.36kPazlT=7.8KC-20%P=47.36kPar=21.1KU=2ms*'U=6ms圖3蒸汽流速對(duì)凝結(jié)形態(tài)的影響Fig.3Theeffectofvaporvelocityoncondensatebehavior2.4蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱特性影響的分析水-酒精混合蒸汽的凝結(jié)換熱過(guò)程中蒸汽側(cè)的熱阻可以分為由凝結(jié)液形態(tài)所決定的凝結(jié)液熱阻以及靠近汽液界面的擴(kuò)散層所引起的擴(kuò)散熱阻.凝結(jié)換熱系數(shù)隨著蒸汽流速的增加而增加.這是由于流速增加使得凝結(jié)液的表面粘性應(yīng)力增加，而旦蒸汽流動(dòng)的方向與凝結(jié)液下落的方向一致.因此，加快了液珠的刷新與脫落，減少了液滴的并聚現(xiàn)象，

14、形成細(xì)小而密集的珠狀凝結(jié)，從而減小了凝結(jié)液熱阻.此外，混合蒸汽在較低濃度下，擴(kuò)散熱阻層較薄，蒸汽流速對(duì)蒸汽擴(kuò)散層的影響較大.當(dāng)混合蒸汽流速增加時(shí)，減薄擴(kuò)散熱阻層，擴(kuò)散熱阻也隨之降低，凝結(jié)換熱系數(shù)增加較為明顯混合蒸汽濃度較高時(shí)具有較厚的擴(kuò)散熱阻層，擴(kuò)散熱阻大，流速的增加對(duì)擴(kuò)散熱阻消減效果并不明顯.3結(jié)論(1) 蒸汽流速對(duì)水蒸汽的凝結(jié)換熱系數(shù)影響很小.而對(duì)f混合蒸汽的凝結(jié)，在不同灑精濃度下，混合蒸汽的凝結(jié)換熱系數(shù)隨蒸汽流速增加而增加的幅度不同.(2) 在較低濃度范圍內(nèi)(1%,2%,5%),隨著蒸汽流速的增加，凝結(jié)換熱系數(shù)增幅較大.在較高濃度范圍(20%,50%)內(nèi)，隨流速的增加，凝結(jié)換熱系數(shù)的增幅

15、較小.參考文獻(xiàn)1FordJI),MissenRW.OntheConditionsforStabilityofFallingFilmsSubjecttoSurfaceTensionDisturbances;theCondensationofBinaryVapors.CanadianJ.Chem.Eng.,1968,48:3093122MirkovichVV,MissenRW.Non-FilmwiseCondensationofBinaryVaporsofMiscibleLiquids.CanadianJ.Chem.Eng.,1961,39:86873(KHijikata,YFukasaku,ONakabeppu.1'heoreticalandExperimentalStudiesonthePseudoDropwiseCondensationofaBinaryVaporMixture.J.HeatTransfer,1996,118:140-1474 IJtakaY,KobayashiH.OnCondensati