流速對(duì)混合蒸汽Marangoni凝結(jié)換熱影響的實(shí)驗(yàn)研究.docx

1、第28卷第6期2007年11月Vol.28,No.6Nov.,2007工,程熱物理學(xué)報(bào)JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS流速對(duì)混合蒸汽Marangoni凝結(jié)換熱影響的實(shí)驗(yàn)研究楊豫森武心壯嚴(yán)俊杰劉繼平(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程與多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049)摘要本文在蒸汽壓力為47.36kPa的條件下，通過實(shí)驗(yàn)研究了不同蒸汽流速(u=2、4、5m/s)下純水和不同酒精濃度水-酒精混合蒸汽沿重力方向流過受直紫銅平板表面上的祗結(jié)換熱特性，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的可視化，同時(shí)分析了不同蒸汽流速下造成Marangoni凝結(jié)換熱特性差異的原因.實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果表明，在相同蒸汽

2、濃度、蒸汽壓力和表面過冷度條件下，高流速下的凝結(jié)換熱系數(shù)比低流速的大.且蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱的影響因混合蒸汽酒精濃度的不同而不同，低濃度0.5%和高濃度50%時(shí)流速的增加對(duì)凝結(jié)換熱特性的影響較小，而在中間濃度2%時(shí)凝結(jié)換熱強(qiáng)度隨流速的增加明顯.關(guān)鍵詞蒸汽流速；水與酒精混合蒸汽；Marangoni凝結(jié)換熱中圖分類號(hào)：TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文童弟號(hào)：0253-231X(2007)06-0980-03EFFECTOFVAPORVELOCITYONMARANGONICONDENSATIONHEATTRANSFERFORWATER-ETHANOLBINARYVAPORMIXTUREYANGYu-SenW

3、UXin-ZhuangYANJun-JieLIUJi-Ping(StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049,China)AbstractReportedhereinaretheexperimentaldataforso-calledMarangonicondensationofsteam-ethanolonsmallverticalplanesurfacesatthevaporpressureof47.36kPa.Inordertoclarify

4、theeffectofvaporvelocityonMarangonicondensation,heatfluxandvapor-to-surfacetemperaturedifferenceweremeasuredforsteam-ethanolmixturesoverawiderangeofcompositionatvaporvelocityof2,4and5m/s.Theexperimentalresultsshowedthatheattransfercoefficientsofmixturevaporswithdifferentcompositionincreasedwithvapor

5、velocity,andtheeffectofvaporvelocityinenhancingthecondensationheattransfercoefficientwaslessforpuresteamorextremelyloworhighcompositionof0.5%and50%thanformiddlecompositionof2%.Keywordsvaporvelocity;steam-ethanolmixturevapor;Marangonicondensation符號(hào)表C酒精質(zhì)fit百分比濃度q熱流密度，kW/m2u蒸汽截面流速，m/sh凝結(jié)換熱系數(shù)，kW/m2KR熱阻，

6、m2K/kW6塊內(nèi)幾何間距，mP壓力，kPaT溫度，°c1引言有關(guān)蒸汽流速對(duì)純蒸汽凝結(jié)換熱影響的研究很多；而對(duì)雙組分混合蒸汽由于Marangoni效應(yīng)形成的非膜狀凝結(jié)，蒸汽流速對(duì)其凝結(jié)換熱強(qiáng)度影響的研究文獻(xiàn)則較少，文獻(xiàn)(1)僅對(duì)大氣壓條件下的三個(gè)酒精質(zhì)量百分比濃度的水-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，而且缺乏與純水蒸汽膜狀凝結(jié)的對(duì)比.本文則針對(duì)蒸汽壓力47.36kPa條件下的純水蒸汽及三個(gè)濃度的水-酒精混合蒸汽的凝結(jié)換熱與蒸汽流速的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比研究，并分析了不同蒸汽流速下水-酒精混合蒸汽凝結(jié)換熱強(qiáng)度變化的原因.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法實(shí)驗(yàn)塊內(nèi)的溫度測(cè)量方法如圖1所示.

7、實(shí)驗(yàn)塊收稿日期：2006-11-27；訂日期，2007-10-02基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.50476048)作者簡(jiǎn)介:楊豫森(1972-),男，河南鄭州人，在讀博士，主要從事熱力系統(tǒng)和凝結(jié)換熱的研究.981楊像森等：流速對(duì)混合蒸汽Marangoni凝結(jié)換熱影響的實(shí)驗(yàn)研究叢：'（后AT）'5；，)41f5T）8“JI,，加)It7«porT«rA:熱電偶布置B：實(shí)驗(yàn)塊為厚度為6.4mm的紫銅板，在實(shí)驗(yàn)塊的一個(gè)端面打了15個(gè)直徑0.5mm的小孔，布置T分度的銅-康銅熱電偶15對(duì).實(shí)驗(yàn)中蒸汽流速通過計(jì)量容積式流量計(jì)在單位時(shí)間內(nèi)收集的凝結(jié)液體質(zhì)量及

8、混合蒸汽的物性值計(jì)算得出，并與蒸汽發(fā)生器側(cè)加熱器功率與混合液的汽化潛熱值計(jì)算得出的蒸汽流速相校核.通過改變蒸汽發(fā)生器的加熱功率來實(shí)現(xiàn)蒸汽流速的變化.圖1實(shí)驗(yàn)塊及熱電偶安裝位置示意圖當(dāng)u=2m/s時(shí)，混合蒸汽凝結(jié)狀態(tài)為珠狀凝結(jié)，液珠大而且清晰，如圖中的B；隨著流速的增大，在u=4m/s時(shí)，凝結(jié)狀態(tài)大部分為條紋狀凝結(jié)，但在條紋間隙中還存在少量凝結(jié)液珠，如圖中的C；當(dāng)流速增大到u=5m/s時(shí)，凝結(jié)狀態(tài)呈完全的條紋狀凝結(jié)，且條紋清晰而密集，如圖中的D.伴隨著凝結(jié)狀態(tài)的變化，凝結(jié)換熱系數(shù)九也隨著流速的增大而增大.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果在混合蒸汽壓力47.36kPa的條件下，進(jìn)行了純水蒸汽和三個(gè)不

9、同酒精濃度的混合蒸汽的凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn).如圖3所示為水蒸氣凝結(jié)換熱系數(shù)與Nusselt解之比較，從圖中可看出，在低流速下2m/s,理論解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，說明實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)具有較高的可靠性.而在較高流速下4m/s和5m/s,實(shí)驗(yàn)值高于Nusselt理論解并存在較大差別，其原因是Nusselt理論分析解忽略了蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱的影響.利用文獻(xiàn)3的方法對(duì)q和h的不確定度進(jìn)行分析。導(dǎo)熱系數(shù)入的不確定度取為2%,溫度的不確定度取為0.1°C,8的不確定度取為0.02mm,可得出q和五的不確定度分別為3.89%18.22%和3.96%18.66%.3實(shí)驗(yàn)可視化及分析706050403020C

10、-0%4736kPa5m/sRev*7844m/sRev"6272m/s/?e»»3l45m/sExp4m/sExp2m/sExp0m/$NusA:純水c=0%u=2m/sT=6Kh=23kW/m2KB:c=2%u=2m/sT=6Kh=75C:c=2%u=4m/sAT=6KA=89kW/m2KD:c=2%u=5m/sT=6Kh=102kW/m2K140'一1201008060£40.c»05%P-4736kPa5m/sRev-737f5m/s4m/sRevs630200 4m/s2m/s 2m/s01020304050AT/K圖2所示為

11、蒸汽壓力、濃度和過冷度相同時(shí),不同流速下的凝結(jié)狀態(tài)照片.kW/m2K圖2純水及混合物在不同流速下的不同凝結(jié)狀態(tài)圖2中的A為純水的膜狀凝結(jié)，其它為相同壓力P=47.36kPa、相同濃度c=2%、相同過冷度T=6K時(shí)在不同的蒸汽流速下的不同凝結(jié)狀態(tài).001020304050AT/K圖3純水膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)與理論解對(duì)比在蒸汽壓力為P=47.36kPa,在不同濃度條件下，蒸汽流速對(duì)凝結(jié)換熱特性的影響，如圖4、5、6所示，其濃度分別為c=0.5%、c=2%和c=50%,圖4混合蒸汽c=0.5%三個(gè)流速下凝結(jié)特性曲線982工程熱物理學(xué)報(bào)28卷Fc=2%4736kPa5m/sRe795 5m/s4m/sRgw6

12、36,4m/$2m/s/?ev«3l8 2m/sc«50%47.36kPa.5m/s 4m/s 2m/s5m/s1664m/s&勿9332m/s/?ev«4661601140-W120.*£100-M80、60402001020304050AT/K圖5混合蒸汽c=2%三個(gè)流速下凝結(jié)特性曲線120-|j100-¥80-=60-S40.20-0-01020304050AT/K圖6混合蒸汽c=50%三個(gè)流速下凝結(jié)特性曲線從圖中可以看出各濃度均符合凝結(jié)換熱系數(shù)隨蒸汽流速的升高而升高的規(guī)律.4.2不同流速下凝結(jié)換熱過程分析當(dāng)蛆成positives

13、ystem的雙組分的蒸汽混合物在豎直平板表面發(fā)生凝結(jié)時(shí)，在忽略不凝結(jié)氣體的影響條件下，其主要熱阻除了液膜導(dǎo)熱熱阻Rl外，還應(yīng)包括由于蒸汽和凝結(jié)液膜表面之間存在著質(zhì)量擴(kuò)散層，而帶來的汽相擴(kuò)散附加熱阻如圖7所示45】.根據(jù)混合蒸汽和純蒸汽凝結(jié)過程傳熱熱阻的不同構(gòu)成，蒸汽流速對(duì)二者的影響機(jī)理是不同的.對(duì)純蒸汽的膜狀凝結(jié)，隨著蒸汽流速的增加，液膜被拉薄，液膜導(dǎo)熱熱阻降低，使換熱增強(qiáng)"而對(duì)混合蒸汽的非膜狀凝結(jié)，在大部分過冷度范圍下由貼近凝結(jié)壁面的一層薄液膜和附著在液膜表面的大小不均的液滴所組成刃，因此，混合蒸汽凝結(jié)的底層液膜也會(huì)隨蒸汽流速的增加而被拉薄，汽液界面的液滴刷新速度加快，使液膜導(dǎo)熱熱

14、阻降低；另外，流速的增加會(huì)拉薄汽液界面間的質(zhì)量擴(kuò)散邊界層，而使汽相擴(kuò)散附加熱阻降低，混合蒸汽凝結(jié)換熱增強(qiáng).圖7凝結(jié)快熱過程圖5結(jié)論在其它實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，隨蒸汽流速的增大，蒸汽的質(zhì)雖流速、蒸汽Reynolds數(shù)和凝結(jié)換熱最逐漸增大，凝結(jié)液的質(zhì)最流域也隨之增加，造成凝結(jié)表面的液膜側(cè)和蒸汽側(cè)的擾動(dòng)顯著地增強(qiáng)，降低了液膜導(dǎo)熱熱阻和汽相質(zhì)盡擴(kuò)散熱陽，最終凝結(jié)換熱得到增強(qiáng).另外，凝結(jié)狀態(tài)在低速下大多為珠狀凝結(jié)，在高速下低濃度混合蒸汽隨過冷度的降低可較早地出現(xiàn)條紋狀凝結(jié)，說明流速的增大會(huì)促進(jìn)條紋狀凝結(jié)的形成.參考文獻(xiàn)|1UtakaY,KobayashiH.OnCondensationHeatTYansfer

15、forWaterandEthanolVaporMixture.JSME,B,2001,67(653):141-1472 楊豫森，甄克建，嚴(yán)俊杰，等.蒸汽壓力對(duì)Marangoni凝結(jié)換熱特性的影響.T程熱物理學(xué)報(bào)，2006,27(6):965-968MoffatRJ.ContributionstotheTheoryofSingle-SampleUncertaintyAnalysis.JournalofFluidsEngineering,TYans.oftheASME,1982,104(2):250-2603 UtakaY,WangShixue.CharacteristicCurvesandthePromotionEffectofEthanolAdditiononSteamCondensationHeatTransfer.Internationa)JournalofHeatandMassTransfer,2004,47(12):4507-4516MorrisonJNA,DeansJ.AugmentationofSteamCondensationHeatTransferbyAdditionofAmmonia.Int.J.HeatMassTYansfer,1997,40(4):765-7724 Mirko