蒸汽流速对竖直管外Marangoni凝结换热特性影响的实验研究.docx

1、第29卷第5期工程热物理学报Vol.29,No.52008年5月JOURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICSMay,2008_i.-一一-一蒸汽流速对竖直管外Marangoni凝结换热特性影响的实验研究李杨1乔磊2严俊杰1胡申华3(1.西安交通大学动力工程多相流国家藏点实验室，陕西西安710049:2, 深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518031;新曜大学电气工程学院，新赧乌每木齐830008)摘要本文在不同蒸汽流速F对水-酒精混合蒸汽在朋苴管外Marangoni凝结换热特性进行了实验研究.结果表明：在相同蒸汽压力F,混合蒸汽在啜宜管外凝结换热系数随蒸汽流速的增加而

2、增加.当蒸汽酒精浓度较低时(1%、2%、5%),凝结换热系数随流速的增加而明显增加.当蒸汽酒精浓度较高时(20%、50%),流速的增加对凝结换热系数影响较小.这主要是由于蒸汽流速在低酒精浓度F对凝结扩散层热阻的影响大于在高洒精浓度F对扩散层热阻的影响.关键词水-酒精；Marangoni；凝结换热；流速；管外中图分类号，O359+.1文献标识码：A文章编号：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结液表面，由于浓度的随机变化而产生的表面张力梯度的随机变化，使凝结液表面产生Marangoni珠状凝结.1961年Mirkovich和Misscn在进行凝结换热实验时育先观察到了这种珠状凝结的现象.Hijik

7、ata【3l用实验测得了换热系数，解释了是由于凝结状态的改变以及二元混合蒸汽凝结时的扩散热阻所引起的.Utaka【4对水-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.严俊杰同等进行了水-酒精混合蒸汽在竖直平板表面的凝结换热实验，分析了蒸汽浓度与压力对凝结换热系数的影响.本文在蒸汽压力47.36kPa下，研究了不同浓度收稿日期：2007-10-16:修订日期：2008-02-16基金项目，国家自然科学基佥项目资助(N。.50476048,No.50521601)作者简介:李杨(】978)，男，陕西西安人，博士研究生，主要从书多相流和相变换热的研究.793李杨等：蒸汽流速对竖直管外Mar

8、angoni凝结换热特性影响的实验研究图1实验件示意图Fig.lThedimensionoftesttuberu-10mm_-n=4mm111111r槽<3整水-酒精混合蒸汽在竖直管外的凝结换热随蒸汽流速变化的规律，为进一步分析水酒精混合蒸汽在竖直管外Marangoni凝结换热过程奠定基础.1实验系统与方法Marangoni凝结换热实验系统分为三个循环：混合蒸汽循环，射流冷却水循环以及抽真空循环.文献5对实验系统进行了详细的介绍.实验铜管采用戴面为半圆形结构，如图1所示.根据试件中间一排热电偶直接测得壁面内温度以及热电偶和冷却面距离，可计算出凝结面测点处热流密度，管壁温度.再由三根热电偶

9、测量混合蒸汽的温度，即可得到表面过冷度以及凝结换热系数.烈热电隅2实验结果在蒸汽压力47.36kPa,蒸汽流速分别为2ms-1、4、6ms'1条件下，完成了不同浓度水-酒精混合蒸汽在竖直管外的凝结换热特性实验.2.1凝结换热特性曲线图2为不同酒精浓度混合蒸汽在竖直管外凝结换热系数随蒸汽流速变化曲线。从图2可以看出蒸汽流速的变化对于水蒸汽的凝结换热系数影响微弱.当混合蒸汽酒精浓度为1%、2%、5%时，流速的增加对凝结换热系数的影响较大.当酒精浓度增加至20%时，蒸汽流速对凝结换热系数的影响逐渐减弱，当酒精浓度为50%时凝结换热系数增量最小.2.2蒸汽流速对凝结换热系数峰值的影响根据实验结

10、果，对不同蒸汽流速下凝结换热系数峰值的绝对变化量和相对变化量进行了对比.如表1所示.当流速由2mb】增加到4ms-1,凝结换热系数的最大增量出现在酒精浓度为2%时，最大增量为24kW.m-2.KT；凝结换热系数的最大增幅出现在酒精浓度为5%时，增幅为37%.凝结换热系数的最小增幅出现在酒精浓度为50%时，增幅仅为2%.图2凝结换热系数随蒸汽流速变化Fig.2Theeffectofvaporvelocityonheattransfercoefficients图2凝结换热系数随蒸汽流速变化Fig.2Theeffectofvaporvelocityonheattransfercoefficients

11、1801601401201008060402018016014012010080604020180160140120100806040200Qe)、M上卷(冬表】不同流速下凝结换热系数峰值增量分析Table1Thecomparisonofthepeakvaluesofcoefficientsunderdifferentvaporvelocities、酒精浓度1.02.05.020.050.0h147106853713U=4nrs'1M5.86.911.719.833.3h12582623211U=2ms'1r4.57.710.120.532.3绝对增量Ah22242352相对增

12、量bh!a17.629.23715.618.22.3蒸汽流速对凝结形态的影响图3为不同酒精浓度（C=2%、20%）混合蒸汽在相同蒸汽压力，不同流速（l/=2ms-1、4mb，794794工程热物理学报29卷6m-S-1)下，凝结换热系数达到峰值时的凝结状态.当蒸汽浓度为2%,U=2ms-1时，混合蒸汽凝结状态为珠状凝结，液珠较大；但随着流速的增大，在(J=4m.sT时，液珠变小变密，而H出现了少量的条纹状凝结，但主体仍然为珠状凝结；当流速增大到U=6msI时，液珠进一步变小变密.当蒸汽浓度为20%时，凝结状态随流速增加也有类似的变化.随着蒸汽流速的增加，凝结液滴变得更加细小密集.(7=6ms1

13、(7=6ms1C=2%P=47.36kPazlT=7.8KC-20%P=47.36kPar=21.1KU=2ms*'U=6ms图3蒸汽流速对凝结形态的影响Fig.3Theeffectofvaporvelocityoncondensatebehavior2.4蒸汽流速对凝结换热特性影响的分析水-酒精混合蒸汽的凝结换热过程中蒸汽侧的热阻可以分为由凝结液形态所决定的凝结液热阻以及靠近汽液界面的扩散层所引起的扩散热阻.凝结换热系数随着蒸汽流速的增加而增加.这是由于流速增加使得凝结液的表面粘性应力增加，而旦蒸汽流动的方向与凝结液下落的方向一致.因此，加快了液珠的刷新与脱落，减少了液滴的并聚现象，

14、形成细小而密集的珠状凝结，从而减小了凝结液热阻.此外，混合蒸汽在较低浓度下，扩散热阻层较薄，蒸汽流速对蒸汽扩散层的影响较大.当混合蒸汽流速增加时，减薄扩散热阻层，扩散热阻也随之降低，凝结换热系数增加较为明显混合蒸汽浓度较高时具有较厚的扩散热阻层，扩散热阻大，流速的增加对扩散热阻消减效果并不明显.3结论(1) 蒸汽流速对水蒸汽的凝结换热系数影响很小.而对f混合蒸汽的凝结，在不同洒精浓度下，混合蒸汽的凝结换热系数随蒸汽流速增加而增加的幅度不同.(2) 在较低浓度范围内(1%,2%,5%),随着蒸汽流速的增加，凝结换热系数增幅较大.在较高浓度范围(20%,50%)内，随流速的增加，凝结换热系数的增幅

15、较小.参考文献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