蒸汽流速對豎直管外Marangoni凝結換熱特性影響的實驗研究.docx

1、第29卷第5期工程熱物理學報Vol.29,No.52008年5月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSMay,2008_i.-一一-一蒸汽流速對豎直管外Marangoni凝結換熱特性影響的實驗研究李楊1喬磊2嚴俊杰1胡申華3(1.西安交通大學動力工程多相流國家藏點實驗室，陜西西安710049:2, 深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳518031;新曜大學電氣工程學院，新赧烏每木齊830008)摘要本文在不同蒸汽流速F對水-酒精混合蒸汽在朋苴管外Marangoni凝結換熱特性進行了實驗研究.結果表明：在相同蒸汽壓力F,混合蒸汽在啜宜管外凝結換熱系數(shù)隨蒸汽流速的增加而

2、增加.當蒸汽酒精濃度較低時(1%、2%、5%),凝結換熱系數(shù)隨流速的增加而明顯增加.當蒸汽酒精濃度較高時(20%、50%),流速的增加對凝結換熱系數(shù)影響較小.這主要是由于蒸汽流速在低酒精濃度F對凝結擴散層熱阻的影響大于在高灑精濃度F對擴散層熱阻的影響.關鍵詞水-酒精；Marangoni；凝結換熱；流速；管外中圖分類號，O359+.1文獻標識碼：A文章編號：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液表面，由于濃度的隨機變化而產(chǎn)生的表面張力梯度的隨機變化，使凝結液表面產(chǎn)生Marangoni珠狀凝結.1961年Mirkovich和Misscn在進行凝結換熱實驗時育先觀察到了這種珠狀凝結的現(xiàn)象.Hijik

7、ata【3l用實驗測得了換熱系數(shù)，解釋了是由于凝結狀態(tài)的改變以及二元混合蒸汽凝結時的擴散熱阻所引起的.Utaka【4對水-酒精混合蒸汽的凝結換熱與蒸汽流速的關系進行了實驗研究.嚴俊杰同等進行了水-酒精混合蒸汽在豎直平板表面的凝結換熱實驗，分析了蒸汽濃度與壓力對凝結換熱系數(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基金項目，國家自然科學基僉項目資助(N。.50476048,No.50521601)作者簡介:李楊(】978)，男，陜西西安人，博士研究生，主要從書多相流和相變換熱的研究.793李楊等：蒸汽流速對豎直管外Mar

8、angoni凝結換熱特性影響的實驗研究圖1實驗件示意圖Fig.lThedimensionoftesttuberu-10mm_-n=4mm111111r槽<3整水-酒精混合蒸汽在豎直管外的凝結換熱隨蒸汽流速變化的規(guī)律，為進一步分析水酒精混合蒸汽在豎直管外Marangoni凝結換熱過程奠定基礎.1實驗系統(tǒng)與方法Marangoni凝結換熱實驗系統(tǒng)分為三個循環(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5對實驗系統(tǒng)進行了詳細的介紹.實驗銅管采用戴面為半圓形結構，如圖1所示.根據(jù)試件中間一排熱電偶直接測得壁面內(nèi)溫度以及熱電偶和冷卻面距離，可計算出凝結面測點處熱流密度，管壁溫度.再由三根熱電偶

9、測量混合蒸汽的溫度，即可得到表面過冷度以及凝結換熱系數(shù).烈熱電隅2實驗結果在蒸汽壓力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換熱特性實驗.2.1凝結換熱特性曲線圖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于水蒸汽的凝結換熱系數(shù)影響微弱.當混合蒸汽酒精濃度為1%、2%、5%時，流速的增加對凝結換熱系數(shù)的影響較大.當酒精濃度增加至20%時，蒸汽流速對凝結換熱系數(shù)的影響逐漸減弱，當酒精濃度為50%時凝結換熱系數(shù)增量最小.2.2蒸汽流速對凝結換熱系數(shù)峰值的影響根據(jù)實驗結

10、果，對不同蒸汽流速下凝結換熱系數(shù)峰值的絕對變化量和相對變化量進行了對比.如表1所示.當流速由2mb】增加到4ms-1,凝結換熱系數(shù)的最大增量出現(xiàn)在酒精濃度為2%時，最大增量為24kW.m-2.KT；凝結換熱系數(shù)的最大增幅出現(xiàn)在酒精濃度為5%時，增幅為37%.凝結換熱系數(shù)的最小增幅出現(xiàn)在酒精濃度為50%時，增幅僅為2%.圖2凝結換熱系數(shù)隨蒸汽流速變化Fig.2Theeffectofvaporvelocityonheattransfercoefficients圖2凝結換熱系數(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絕對增量Ah22242352相對增

12、量bh!a17.629.23715.618.22.3蒸汽流速對凝結形態(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工程熱物理學報29卷6m-S-1)下，凝結換熱系數(shù)達到峰值時的凝結狀態(tài).當蒸汽濃度為2%,U=2ms-1時，混合蒸汽凝結狀態(tài)為珠狀凝結，液珠較大；但隨著流速的增大，在(J=4m.sT時，液珠變小變密，而H出現(xiàn)了少量的條紋狀凝結，但主體仍然為珠狀凝結；當流速增大到U=6msI時，液珠進一步變小變密.當蒸汽濃度為20%時，凝結狀態(tài)隨流速增加也有類似的變化.隨著蒸汽流速的增加，凝結液滴變得更加細小密集.(7=6ms1

13、(7=6ms1C=2%P=47.36kPazlT=7.8KC-20%P=47.36kPar=21.1KU=2ms*'U=6ms圖3蒸汽流速對凝結形態(tài)的影響Fig.3Theeffectofvaporvelocityoncondensatebehavior2.4蒸汽流速對凝結換熱特性影響的分析水-酒精混合蒸汽的凝結換熱過程中蒸汽側的熱阻可以分為由凝結液形態(tài)所決定的凝結液熱阻以及靠近汽液界面的擴散層所引起的擴散熱阻.凝結換熱系數(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液的表面粘性應力增加，而旦蒸汽流動的方向與凝結液下落的方向一致.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、形成細小而密集的珠狀凝結，從而減小了凝結液熱阻.此外，混合蒸汽在較低濃度下，擴散熱阻層較薄，蒸汽流速對蒸汽擴散層的影響較大.當混合蒸汽流速增加時，減薄擴散熱阻層，擴散熱阻也隨之降低，凝結換熱系數(shù)增加較為明顯混合蒸汽濃度較高時具有較厚的擴散熱阻層，擴散熱阻大，流速的增加對擴散熱阻消減效果并不明顯.3結論(1) 蒸汽流速對水蒸汽的凝結換熱系數(shù)影響很小.而對f混合蒸汽的凝結，在不同灑精濃度下，混合蒸汽的凝結換熱系數(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，凝結換熱系數(shù)的增幅

15、較小.參考文獻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