КОНДЕНСАЦИЯ ПАРОВ ВОДЫ НА ОРЕБРЕННЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБАХ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы методики проведения и расчета результатов экспериментального исследования по конденсации паров воды на вертикальных трубках с усовершенствованными ребрами. На основе анализа работ по конденсации водяного пара в виде ламинарно- текучей пленки жидкости на наружной поверхности вертикальных трубок создана лабораторная установка, на которой были проведены экспериментальные исследования. Одним из методов интенсификации процесса теплообмена является усовершенствование геометрической формы теплообменной поверхности на греющей стороне теплообменной трубки, где происходит конденсация пара за счет теплоотдачи. При этом решается важная научная проблема – разрыв сплошного потока, стекающего с теплообменной поверхности конденсата, что приводит к непосредственному контакту пара с холодной поверхностью трубки и увеличивает теплоотдачу. В статье приведены также расчетные данные и графические зависимости, отображающие полученные экспериментальные данные.

ABSTRACT

The article deals with the issues of methodology for conducting and calculating the results of an experimental study on the condensation of water vapor on vertical tubes with improved fins. Based on the analysis of work on the condensation of water vapor in the form of a laminar-flowing liquid film on the outer surface of vertical tubes, a laboratory facility was created on which experimental studies were carried out. One of the methods for intensifying the heat transfer process is to improve the geometric shape of the heat exchange surface on the heating side of the heat exchange tube, where steam condenses due to heat transfer. At the same time, an important scientific problem is solved - breaking the continuous flow flowing down from the heat exchange surface of the condensate, which leads to direct contact of the steam with the cold surface of the tube and increases heat transfer. The article also presents the calculated data and graphical dependencies that display the obtained experimental data.

Ключевые слова: интенсификация, теплообменники, теплообмен, конденсация, пар, конденсат, усеченный конус, усовершенствованные ребра.

Keywords: intensification, heat exchangers, heat exchange, condensation, steam, condensate, truncated cone, advanced fins.

Введение. Во многих схемах технологических процессов теплообменники являются важной частью оборудования. Трубчатые теплообменники наиболее распространенный тип в промышленности, являясь наиболее эффективными теплообменниками использующие скрытую теплоту жидкости или газа (испарение), например, при переходе из жидкой фазы в газовую (испарение) или из газовой в жидкую фазу (конденсация). Тепловая составляющая конструкции трубчатого теплообменника, основана на конденсации тепла и требует знания процесса фазового перехода на поверхности труб. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию конденсации пара на вертикальной гладкой трубе и трубе с оребрением из усовершенствованных ребер.

Известно, что эффективность теплообмена во многом зависит от площади поверхностей, участвующих в данном процессе. Однако, при теплообмене на вертикальных трубах с увеличением площади возникает еще одна проблем- проблема термического сопротивления слоя конденсата, стекающего по трубе. Чем толще слой, тем хуже теплообмен. Учитывая, что интенсификация процессов теплообмена приводит к увеличению их тепловой мощности, вопрос интенсификации процесса за счет увеличения поверхности теплообмена с незначительным увеличением массы и габаритов аппаратов является весьма актуальным и требующим соответствующего научно обоснованного решения.

Известно [1 - 5], что обильная конденсация греющего пара, приводит к образованию пленки конденсата на поверхности вертикально расположенной трубки и, по мере течения вниз, толщина пленки увеличивается, что повышает термическое сопротивление, отрицательно влияющее на процесс теплоотдачи.

В работах [6 - 8] приведена обзорная информация о результатах исследований процесса конденсации, показаны факторы, влияющие на процесс, в том числе и влияние наличия воздуха, неконденсирующегося газа, в парах, что ведет к ухудшению процесса конденсации за счет создаваемой воздухом неконденсирующейся оболочки на границе раздела паровоздушной смеси и конденсата. Получено описание влияния расхода конденсата и неконденсируемых газов (воздуха) на коэффициент теплопередачи. Также показано влияние других основных параметров, таких как, входное число Рейнольдса, входная температура, концентрация водяного пара на входе, размер и тип поверхности.

В работах [9, 10] приведены экспериментальные данные по конденсации паров этиленгликоля при низкой скорости на трубках с игольчатым оребрением и определена зависимость теплообмена от геометрических размеров оребрения. Эта зависимость связана с явлением удерживания конденсата на ребрах. На участках свободных от пленки конденсата наблюдалось увеличение теплопередачи на паровой стороне примерно в 2,5 - 3 раза, а со стороны пара теплопередача увеличивается за счет сокращения расстояния между ребрами.

Авторы [11] исследовали трехмерную трубчатую ребристую трубку на предмет влияния смачиваемости поверхности трубы на теплопередачу и провели сравнение с гладкой трубой. Результаты показали, что коэффициент теплопередачи увеличивается примерно в 2 раза с увеличением мольной доли пара, переохлаждением стенок и снижением температуры влажного воздуха.

Также были проведены исследования теплопередачи при конденсации хладагента (HFC134a) и бинарной смеси хладагентов (HFC23/HFC134a) на трубках с совершенствованной поверхностью [12]. Полученные результаты обработаны по специальной модели с учетом гравитационного эффекта и эффекта поверхностного натяжения. Исследования проводились для трубы со специфической трехмерной геометрией поверхности (ребра с зазубринами) и трубами с трапециевидными ребрами с различными расстояниями между ребрами.

Авторы [13] рассмотрели влияние числа Рейнольдса Re и Pr Прандтля, а также напряжения межфазового сдвига на теплообмен при конденсации и определили что, в случае увеличения значений межфазного напряжения сдвига наблюдается снижение коэффициента теплоотдачи при малых значениях Re < 10 за счет сдерживания истечения в силу воздействия сил сцепления и увеличение при 20 < Re < 670 за счет большей турбулизации.

Исследователи [14] проводили опыты со следующими жидкостями: вода (2,6 < Pr < 4,5), этанол (12,4 < Pr < 18,4) и изопропанол (23 < Pr < 55).Определялся коэффициент теплопередачи при флегмовой конденсации. Было обнаружено, что сдвиговое напряжение препятствует переносу тепла только в случаях с очень тонкой пленкой, в ламинарном диапазоне, а в турбулентном диапазоне, коэффициент теплопередачи увеличивается с увеличением числа Pr.

В работах [15] представлены результаты визуального исследования изотермических и полностью сформировавшихся стекающих пленок жидкости в вертикальных трубах при прямотоке и противотоке движения фаз, получены данные теплопередачи флегмы-конденсации, для случая нулевого напряжения сдвига, которые хорошо коррелируются с числами Рейнольдса и Капицы.

Цель. Разработка и исследование высоко эффективных теплообменных поверхностей. При разработке теплообменного оборудования, в особенности теплообменников с вертикальными трубами важное значение имеют показатели теплообмена в процессе конденсации водяного пара на поверхности вертикальной трубы [16, 17].

При исследовании конденсации пара на вертикальных трубах рассматривается пленочное течение и основным объектом исследований являются, одиночные вертикальные трубы с усовершенствованными ребрами, разработанные с целью интенсификации процесса теплообмена.

Авторами [18 - 19] предложено усовершенствование конструкции кромки ребра в виде усеченного конуса, установленного на определенном расстоянии по всей высоте трубы (рис. 1). Создана лабораторная установка [20, 21] с усовершенствованной теплообменной трубкой с новым типом ребер. Методика экспериментальных исследований изложена в [21, 22]. Полученные в эксперименте данные были обработаны математически.

Экспериментальные исследования проводились на установке, описанной в [19, 20, 22]. Для дальнейшего сравнения результатов эксперименты проводились на двух типах трубок с ребрами жесткости и без них. Перед началом экспериментов стенд был отрегулирован, измерительное оборудование и выбранный способ обработки результатов были проверены и протестированы. Сравнение данных по конденсации пара на гладких трубах и трубах с усовершенствованными ребрами ребрами покажет правильность выбранного метода проведения экспериментальных исследований и обработки полученных данных без учета влияния на полученные результаты.

Диапазон изменения параметров пара и охлаждающей воды для трубы с усовершенствованными ребрами и гладкой трубы в каждом отдельном эксперименте задавался одинаковым.

Методика проведения эксперимента. Эксперименты проводились на гладких трубах при изменении плотности теплового потока от 19,5 до 45 кВт/м² и разности температур при конденсации 50 ÷ 72 ⁰C, а в опытах с трубами с усовершенствованными ребрами, эти диапазоны составляли соответственно 15÷30 кВт/м² и 40 ÷ 63 ⁰C.

Эксперименты проводились с тщательно установленными начальными параметрами теплоносителей (расход, давление, температура охлаждающей воды не изменялась).

Каждый из экспериментов проводился в течение 30-40 минут. Измерения проводились только после полного прогрева стенда и приборов в стационарном режиме. Между экспериментами выдерживался промежуточные интервал 15-20 минут. В течение эксперимента снимались показания всех измерительных приборов. Результаты получены для мощности экспериментального нагревателя Q = 300 ÷ 660 Вт.

На рисунке 2 приведены экспериментальные данные, полученные при мощности нагревателя 624 Вт. В этих экспериментах температура охлаждающей воды оставалась постоянной, а расход изменялса. Эксперименты проводились для трех видов трубок. На рисунке 3 приведены рассчитанные значения коэффициента теплоотдачи, полученные на основе экспериментальных данных, полученные при G = 60 кг/ч и мощности Q = 300 ÷ 660 Вт.

Рисунок 4. Cравнение коэффициента теплопередачи для гладкой и оребренной трубы

На рисунке 4 приведены рассчитанные значения коэффициента теплопередачи для гладких и труб с усовершенствованными ребрами, полученные на основе экспериментальных данных, проведенных при Q = 624 Вт и расходе охлаждающей воды G = 40,788 ÷ 90 кг/ч.

Выводы. Применение усовершенствованных ребер позволяет увеличить поверхность теплообмена, увеличить контакт пара с холодной охлаждающей поверхностью, за счет разрыва потока стекающей пленки, что создает под ребром свободное от конденсата пространство, где происходит интенсивная конденсация, что способствует повышению эффективности теплообмена с увеличением выхода конденсата и коэффициента теплоотдачи по сравнению с гладкими трубами.

Предлагаемая методика повышение эффективности теплообмена может быть применена для различных теплообменных аппаратов с вертикальными охлаждающими трубами

Список литературы:

1. Ефимов А.Л., Маскинская А.Ю. Расчет промышленных теплообменников с интенсифицированными поверхностями. – М.; Издательство МЭИ., - С. 13-18, 2016.
2. Ефимов А.Л., Глазов В.С., Юркина М.Ю. Интенсификация теплообмена. - Москва, Издательство МЭИ., - C. 33-38, 2016.
3. Кузьма-Кичта Ю.А. Методы интенсификации теплообмена. - М.: МЭИ, 2001, - 112 с.
4. Эшкуватов Л.М. Повышения эффективности теплообмена в выпарных аппаратах консервной промышленности / Проблемы и перспективы инновационной Техники и технологий в аграрном-пищевом Секторе, Международный научно и научно-технической конференции, ТашГТУ, -Ташкент, 2020. - C. 711-713.
5. Эшкуватов Л.М. Влияние оребрения на повышение эффективности теплообмена в выпарных аппаратах / Материалы Международной научно-практической интернет-конференции «Тенденции и перспективы развития науки и образования в условиях глобализации»: Сб. науч. трудов. Переяслав, 2020. - C. 522-524.
6. Dipanjka B. Direct and Indirect Contact Filmwise as well as Dropwise Condensation of Water Vapour with and without Noncondensible Gas-A Review, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), Vol. 07, pp. 415-419, (2020).
7. Al-Shammari S.B., Webb D.R., Heggs P. Condensation of steam with and without the presence of non-condensable gases in a vertical tube, Desalination 169 (2004) pp. 151 - 160, http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2003.11.006.
8. Lee K. -W., No H.C., Chu I.-C., Moon Y.M., Chun M.-H Local heat transfer during reflux condensation mode in a U-tube with and without noncondensible gases, Int. J. Heat Mass Transfer 49 (2006) pp. 1813 - 1819, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.11.011.
9. Ali H.M., Qasim M.Z. Free convection condensation of steam on horizontal wire wrapped tubes: Effect of wire thermal conductivity, pitch and diameter. Applied Thermal Engineering, 90, pp. 207-214, (2015).
10. Ali H.M., Briggs A. Condensation of ethylene glycol on pin-fin tubes: Effect of circumferential pin spacing and thickness, Applied Thermal Engineering, 49, pp. 9-13, (2012).
11. Yuheng G., Yudong D., Qiang L., Qian F., Xun Z., Hong W. Condensation heat transfer characteristics of moist air outside hydrophilic and super-hydrophobic 3D pin fin tube. Chemical engineering transactions, Vol. 76, pp. 283-288, (2019). DOI: 10.3303/CET1976048.
12. Mourad Belghazi, André Bontemps, Christophe Marvillet. Condensation heat transfer on enhanced surface tubes: experimental results and predictive theory. Journal of Heat Transfer, American Society of Mechanical Engineers, 2002, 124, pp. 754 - 760. 10.1115/1.1459728. hal-00184114.
13. Thumm S., Philipp Ch., Gross U. Film condensation of water in a vertical tube with countercurrent vapour flow, Int. J. Heat Mass Transfer 44 (2001) pp. 4245 - 4256, http://dx.doi.org/10.1016/S0017-9310(01)00067-9.
14. Gross U., Philipp Ch. Conjugated shear stress and Prandtl number effects on reflux condensation heat transfer inside a vertical tube, Int. J. Heat Mass Transfer 49 (2006) pp. 144 - 153, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.07.030.
15. Gross U., Storch Th., Philipp Ch., Doeg A. Wave frequency of falling liquid films and the effect on reflux condensation in vertical tubes, Int. J. Multiphase Flow 35 (2009) pp. 398 - 409, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2009.01.001.
16. Пашкевич Р.И., Муратов П.В. Исследования пленочной конденсации в вертикальных трубах при восходящем потоке пара // ГИАБ. ОВ 2 «Камчатка» (специальный выпуск). - 2014. - С. 68-77.
17. Havlík J., Dlouhy T. Condensation of water The condensation of water vapour in a vertical tube condenser. Acta Polytechnica 55(5): 306 – 312, 2015. DOI:10.14311/ap.2015.55.0306.
18. Михеев М. А., Михеева А.М. Основы теплопередачи. – М.; Энергоиздат, С. 130-136, 197, 1977.
19. Eshkuvatov L.M., Tashbayev N.T., Babakhodjaev R.P. Analysis of the current state of efficiency of water vapor condensation on surfaces vertical tube and development experimental stand, Problems of energy and sources saving, №2, TSTU –Tashkent, 2021. pp. 94 – 101.
20. Эшкуватов Л.М., Бабаходжаев Р.П. Экспериментальная установка для исследования процесса конденсации пара в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах / Сборник статей. V Всероссийская научно-практическая конференция «Энергетика и энергосбережение: теория и практика». Кузбасс ГТУ. 2020. - C. 150-154.
21. Eshkuvatov L.M., Babakhodjayev R.P., Tashbayev N.T. Study of steam condensation on vertical tubes of a heat exchanger and processing of the results //Technical science and innovation. TSTU. -Tashkent, 2021. -№4. -С. 167-172.
22. Эшкуватов Л.М. Экспериментальное исследование конденсации пара на вертикальных оребренных трубах / Проблемы энерго- и ресурсосбережения, №4, ТГТУ. –Ташкент, 2021 -С. 148-153.