流速对混合蒸汽Marangoni凝结换热影响的实验研究.docx

1、第28卷第6期2007年11月Vol.28,No.6Nov.,2007工,程热物理学报JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS流速对混合蒸汽Marangoni凝结换热影响的实验研究杨豫森武心壮严俊杰刘继平(西安交通大学动力工程与多相流国家重点实验室，陕西西安710049)摘要本文在蒸汽压力为47.36kPa的条件下，通过实验研究了不同蒸汽流速(u=2、4、5m/s)下纯水和不同酒精浓度水-酒精混合蒸汽沿重力方向流过受直紫铜平板表面上的祗结换热特性，并实现了实验的可视化，同时分析了不同蒸汽流速下造成Marangoni凝结换热特性差异的原因.实验及分析结果表明，在相同蒸汽

2、浓度、蒸汽压力和表面过冷度条件下，高流速下的凝结换热系数比低流速的大.且蒸汽流速对凝结换热的影响因混合蒸汽酒精浓度的不同而不同，低浓度0.5%和高浓度50%时流速的增加对凝结换热特性的影响较小，而在中间浓度2%时凝结换热强度随流速的增加明显.关键词蒸汽流速；水与酒精混合蒸汽；Marangoni凝结换热中图分类号：TK124文献标识码：A文童弟号：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符号表C酒精质fit百分比浓度q热流密度，kW/m2u蒸汽截面流速，m/sh凝结换热系数，kW/m2KR热阻，

6、m2K/kW6块内几何间距，mP压力，kPaT温度，°c1引言有关蒸汽流速对纯蒸汽凝结换热影响的研究很多；而对双组分混合蒸汽由于Marangoni效应形成的非膜状凝结，蒸汽流速对其凝结换热强度影响的研究文献则较少，文献(1)仅对大气压条件下的三个酒精质量百分比浓度的水-酒精混合蒸汽的凝结换热与蒸汽流速的关系进行了实验研究，而且缺乏与纯水蒸汽膜状凝结的对比.本文则针对蒸汽压力47.36kPa条件下的纯水蒸汽及三个浓度的水-酒精混合蒸汽的凝结换热与蒸汽流速的关系进行了对比研究，并分析了不同蒸汽流速下水-酒精混合蒸汽凝结换热强度变化的原因.2实验系统与方法实验块内的温度测量方法如图1所示.

7、实验块收稿日期：2006-11-27；订日期，2007-10-02基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50476048)作者简介:杨豫森(1972-),男，河南郑州人，在读博士，主要从事热力系统和凝结换热的研究.981杨像森等：流速对混合蒸汽Marangoni凝结换热影响的实验研究丛：'（后AT）'5；，)41f5T）8“JI,，加)It7«porT«rA:热电偶布置B：实验块为厚度为6.4mm的紫铜板，在实验块的一个端面打了15个直径0.5mm的小孔，布置T分度的铜-康铜热电偶15对.实验中蒸汽流速通过计量容积式流量计在单位时间内收集的凝结液体质量及

8、混合蒸汽的物性值计算得出，并与蒸汽发生器侧加热器功率与混合液的汽化潜热值计算得出的蒸汽流速相校核.通过改变蒸汽发生器的加热功率来实现蒸汽流速的变化.图1实验块及热电偶安装位置示意图当u=2m/s时，混合蒸汽凝结状态为珠状凝结，液珠大而且清晰，如图中的B；随着流速的增大，在u=4m/s时，凝结状态大部分为条纹状凝结，但在条纹间隙中还存在少量凝结液珠，如图中的C；当流速增大到u=5m/s时，凝结状态呈完全的条纹状凝结，且条纹清晰而密集，如图中的D.伴随着凝结状态的变化，凝结换热系数九也随着流速的增大而增大.4实验结果及讨论4.1实验结果在混合蒸汽压力47.36kPa的条件下，进行了纯水蒸汽和三个不

9、同酒精浓度的混合蒸汽的凝结换热实验.如图3所示为水蒸气凝结换热系数与Nusselt解之比较，从图中可看出，在低流速下2m/s,理论解与实验结果有较好的一致性，说明实验测量系统具有较高的可靠性.而在较高流速下4m/s和5m/s,实验值高于Nusselt理论解并存在较大差别，其原因是Nusselt理论分析解忽略了蒸汽流速对凝结换热的影响.利用文献3的方法对q和h的不确定度进行分析。导热系数入的不确定度取为2%,温度的不确定度取为0.1°C,8的不确定度取为0.02mm,可得出q和五的不确定度分别为3.89%18.22%和3.96%18.66%.3实验可视化及分析706050403020C

10、-0%4736kPa5m/sRev*7844m/sRev"6272m/s/?e»»3l45m/sExp4m/sExp2m/sExp0m/$NusA:纯水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图2所示为

11、蒸汽压力、浓度和过冷度相同时,不同流速下的凝结状态照片.kW/m2K图2纯水及混合物在不同流速下的不同凝结状态图2中的A为纯水的膜状凝结，其它为相同压力P=47.36kPa、相同浓度c=2%、相同过冷度T=6K时在不同的蒸汽流速下的不同凝结状态.001020304050AT/K图3纯水膜状凝结实验与理论解对比在蒸汽压力为P=47.36kPa,在不同浓度条件下，蒸汽流速对凝结换热特性的影响，如图4、5、6所示，其浓度分别为c=0.5%、c=2%和c=50%,图4混合蒸汽c=0.5%三个流速下凝结特性曲线982工程热物理学报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图5混合蒸汽c=2%三个流速下凝结特性曲线120-|j100-¥80-=60-S40.20-0-01020304050AT/K图6混合蒸汽c=50%三个流速下凝结特性曲线从图中可以看出各浓度均符合凝结换热系数随蒸汽流速的升高而升高的规律.4.2不同流速下凝结换热过程分析当蛆成positives

13、ystem的双组分的蒸汽混合物在竖直平板表面发生凝结时，在忽略不凝结气体的影响条件下，其主要热阻除了液膜导热热阻Rl外，还应包括由于蒸汽和凝结液膜表面之间存在着质量扩散层，而带来的汽相扩散附加热阻如图7所示45】.根据混合蒸汽和纯蒸汽凝结过程传热热阻的不同构成，蒸汽流速对二者的影响机理是不同的.对纯蒸汽的膜状凝结，随着蒸汽流速的增加，液膜被拉薄，液膜导热热阻降低，使换热增强"而对混合蒸汽的非膜状凝结，在大部分过冷度范围下由贴近凝结壁面的一层薄液膜和附着在液膜表面的大小不均的液滴所组成刃，因此，混合蒸汽凝结的底层液膜也会随蒸汽流速的增加而被拉薄，汽液界面的液滴刷新速度加快，使液膜导热热

14、阻降低；另外，流速的增加会拉薄汽液界面间的质量扩散边界层，而使汽相扩散附加热阻降低，混合蒸汽凝结换热增强.图7凝结快热过程图5结论在其它实验条件相同时，随蒸汽流速的增大，蒸汽的质虽流速、蒸汽Reynolds数和凝结换热最逐渐增大，凝结液的质最流域也随之增加，造成凝结表面的液膜侧和蒸汽侧的扰动显著地增强，降低了液膜导热热阻和汽相质尽扩散热阳，最终凝结换热得到增强.另外，凝结状态在低速下大多为珠状凝结，在高速下低浓度混合蒸汽随过冷度的降低可较早地出现条纹状凝结，说明流速的增大会促进条纹状凝结的形成.参考文献|1UtakaY,KobayashiH.OnCondensationHeatTYansfer

15、forWaterandEthanolVaporMixture.JSME,B,2001,67(653):141-1472 杨豫森，甄克建，严俊杰，等.蒸汽压力对Marangoni凝结换热特性的影响.T程热物理学报，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