酒精浓度对竖直管外Marangoni凝结换热影响的实验研究.pdf

中阚工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：066087 影响的实验研究 李杨。，乔磊’，严俊杰1，胡申华1 l西安交通大学动力工程与多相流重点实验室， 陕西西安710049 2新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830008 一 联系电话：029mail：yanjj@mail．xjtu．edu．cn 摘要：在压力47．36kPa条件下，通过实验研究了水蒸汽和不同酒精浓度的水一酒精混合蒸汽在竖直黄 铜管外的凝结换热特性，同时观察了凝结状态。实验结果显示，在酒精蒸汽质量浓度为1％时，当蒸汽 流速为4m／s时，混合蒸汽的凝结换热系数最高达到76kW／m*．K，是水蒸汽凝结换热系数的5倍。随着 酒精蒸汽质量浓度的增大混合蒸汽的凝结换热系数逐渐降低。在相同条件下，当酒精蒸汽质量浓度为 50％时，混合蒸汽的凝结换热系数低于水蒸汽的凝结换热系数． 关键词：水一酒精混合蒸汽；Marangoni：凝结换热；浓度 1．前言 水．酒精混合蒸汽在凝结面凝结所形成的正系统中，高沸点组分的表面张力大于低沸 点组分的表面张力，这导致了在可浸润的凝结面上，出现类似珠状凝结的不均匀厚度和 不规则状态的凝结液膜【l】。该现象是基于二元非共沸混合蒸汽的凝结液膜中两种组分的 表面张力梯度，它所导致的界面运动可被界面区域流体的牵引作用所放大，称为 膜状凝结现象，凝结状态成条纹状或珠状。Fujil[4115】等研究了水．酒精混合物的水平管外 凝结换热实验，提出了凝结的五种状态：珠状、条状、环状、平膜状、带起伏的膜状。 ．酒精混合蒸汽在水平平板上的凝结特性研究，结果显示酒精蒸汽浓度为4—60％时。凝结 物呈珠状，凝结换热系数小于等于纯水的换热系数。后来，Hijikata[7】用非稳态方法分析 了的凝结机理，并试验测得了换热系数，发现水．酒精混合蒸汽凝结换热系数很低，提出 凝结换热系数与过冷度之间的关系是非线性的特点，并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(81(91完成了酒精蒸汽质量浓度为 17—71％的水．酒精混合蒸汽在竖直平板实验研究，结果表明表面过冷度是确定凝结状态 人的表面过冷度范围内表现为类似珠状凝结。Utaka(10】进行了在大气压下，水．酒精混合 蒸汽在竖直平板上凝结试验，在较低酒精浓度下，凝结换热系数较水蒸汽的增强了2．8 倍，提出凝结换热特性曲线表现出含最大值的特性变化，传热特性由凝结状态的变化决 定，它同时决定了凝结过程的凝结液热阻和汽相的扩散热阻。何仰朋，严俊杰【¨】等研究 了凝结表面局部温度不相同时，凝结表面上混合蒸汽Marangoni凝结规律。 基金资助：国家自然科学基金资助项目 993 在低于大气压下，竖直管外的混合蒸汽Marangoni凝结在工程上应用有广泛前景， 但相关的文献报道比较少见。本文在压力为47．36kPa条件一F(绝对压力)，对水．酒精 混合蒸汽在竖直管外凝结换热特性进行实验研究。通过不同酒精浓度的水．酒精混合蒸汽 凝结现象的观测，分析了酒精浓度对水．酒精混合蒸汽的凝结特性的影响，讨论了低酒精 浓度的水-酒精混合蒸汽凝结换热系数增加的机理。为混合工质Marangoni凝结换热的理 论研究及在工程中的应用提供可靠的实验数据和理论基础。 2．实验系统及方法 试验件选取导热系数109W／(m．K)的黄铜为材质，如图l所示，采用半圆管是考虑冷 却水在管内的强制对流换热系数远要比冷却水射流到铜管内侧的换热系数低，冷却水射 流冲击可以获得较大的热流密度与表面过冷度【12】【13】。试验件尺寸如图1所示，外径① 个小孔布置一对热电偶，由此测量管壁内的温度场，同时由两个热电偶测量蒸汽温度， 即可计算出铜管凝结面的表面温度、热流密度、凝结换热系数。温度测量均采用oO．2mm 的T型热电偶。所有热电偶都经过标定。 实验系统如图2所示，蒸汽发生器产生水．酒精饱和蒸汽进入试验段，少量的混合蒸 汽在试验件表面凝结，绝大部分在凝汽器内凝结，凝结液在重力的作用下返回到蒸汽发 生器中再循环。混合蒸汽的流速由流速计测得。实验时，