载气汽油蒸汽在水平圆管内的冷凝_侯银燕

coefficient of gaso line- a ir m ixture and the range o f non
- condensab le gasm ass quantity in horizonta l tube
3. 3 冷凝换热系数实验关联式
按照文献 [ 7] 中关于液膜 Reyno lds数和凝结
3. 1 管内蒸汽冷凝换热计算分析 关于管内冷凝有很多的计算方法, 不同计算
方法有较大的偏差, A kers等人 [ 6] 提出一个适用 于水平管内环状流流型下的纯蒸汽凝结换热计算
降, 当空气的质量含量小于 6% 时, 不凝气体对冷 凝换热的影响很大, 当继续增加空气时, 换热系数 的下降趋于平缓。当质量含量达到 8% 时, 换热 系数随不凝气体的增加并没有明显的下降趋势。
实验工况点下的计算值与本文实验值的比值随不 围内变化时水平管内冷凝换热系数与空气质量含
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制冷技术 Refrigeration
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量的关系。从该图中可以看到, 在空气质量含量 小于 4% 时, 换热系数的下降辐度很大, 由空气质 量含量 2% 升高 到 4% 时 冷凝 换热 系数 下降 约 46% , 表明在相同的质量流量下, 空气含量的增加 极大的降低了传热能力。这主要是由于随着汽油 蒸汽的冷凝, 空气会积聚在凝结液膜的界面附近, 使这里的不凝气体分压强高于离壁面较远的分压 强, 从而增加了蒸汽分子向液膜表面扩散的阻力。 同时, 相应地降低了有效的冷凝温度差, 使凝结换 热壁表面传热系数和换热量降低。当空气质量含 量进一步增加时, 换热系数也呈单调下降趋势, 只 是下降的程度有所趋缓。
低温与超导 第 38卷 第 1期
制冷技术 R efrigeration
Cryo. & Supercond. V o .l 38 N o. 1
载气汽油蒸汽在水平圆管内的冷凝
侯银燕, 李维
(南京工业大学城市建设与安全工程学院, 南京 210009) 摘要: 研究了空气质量含量在 2% ~ 13% , 汽油蒸汽和空 气的混合气体在水平管内的冷凝换热。并分析了 不凝 气体质量分数对管内冷凝换热的影响规律。得到 Co随 Re变 化的冷凝换热系数的实验关联式。 关键词: 液膜紊流模型 ; 冷凝换热; 气液两相流; 不凝气体
式, 其具体形式为:
N u = 0. 0265P r1l /3R e0. 8, R e > 5 @ 104
( 1)
N u = 5. 03P r1l /3R e1 /3, R e < 5 @ 104
( 2)
R e=
R el
+
R eg
(
Lm Ll
)
(
Ql Qm
) 0.
5
( 3)
其中:
R
el
=
m
d
(
1Ll
( 11)
则冷凝热负荷为: Q g = Q a + Qn + Q g
( 12)
式中 Q 为换热 量, A 面积, cp 定压比热容, h
两相换热系数, L 管 长度, q 热流密 度, u 流速, K
导热系数, C为汽化潜热, t 为温度; a、n 、q、v 、1、
图 4 水平光管内 凝结准则 C o与 液膜 R e的关系 F ig. 4 The re la tionsh ip betw een Co and Re o f liqu id film
F ig. 2 The re lationship be tw een the range of non- condensable g as m ass quantity and the ratio o f the condensation hea t transfer coe fficient of gaso line - a ir m ixture
汽化的油蒸汽和空气进入油蒸汽分气器11一路经过控制阀门旁通进入预热器5中冷凝放热再经过冷却器13充分冷却后进入油气分离器14液态油经玻璃转子流量计返回油箱空气及极少的油蒸汽经分离器15空气经阻火器排入大气油蒸汽经冷却进入油箱另一路经过控制阀门进入凝结实验段12管内冷却凝结由凝结实验段12管内流出的油气混合物进入油气分离器17凝结的油进入冷却器20充分冷却经玻璃转子流量计返回油箱未凝结的油蒸汽和空气进入冷却器18充分冷却进入油气分离器19液态油经玻璃转子流量计返回油箱空气及极少的的油蒸汽进入分离器15空气经阻火器排入大气油蒸汽被冷却进入油箱8
2 分 别为 空 气、汽 油 凝 结 、汽 油、汽 油 蒸 发 、入 口、
出口。
采用式 ( 6) 、式 ( 7) 的准则数 对实验结 果拟 合, 拟合相关系数为 0. 9927, 其结果见图 4, 拟合
方程为: lnCo = - 9. 3134+ 0. 8137lnRel
( x = 2% ~ 13% )
冷却器 Ò ; 17. 油气分离器 Ó ; 18. 冷却器 Ó ; 19. 油气分离器 Ô ; 20. 冷却器 Ô
图 1 冷凝实验系统
F ig. 1 System of condensation
3 实验结果及分析
凝气体质量含量变化的关系。由图可以看出, 随 不凝气体的增加, 冷凝换热系数有很大程度的下
=
4qL CLlA i
( 8)
空气作为不凝气体, 其放热量为:
Qa = cp, am a ( t1 - t2 )
( 9)
冷凝的汽油放热量由潜热和显热组成, 其放
热量为: Q n = mn Cq + cqlm n ( tg 1 - tl2 ) 未冷凝汽油的放热量为:
( 10)
Qg = cqgm v ( tg 1 - tg2 )
2 实验系统
实验系统如图 1所示。液油从油箱 8经油泵
抽出, 经缓冲罐 6后, 进入预热器 5预热, 油接近 饱和状态后, 经带冷却盘管的油气分离器 4分离, 此时在冷却盘管中用冷却水进行冷却, 是为了防 止少量的油已经液化, 液态油进入油气混合器 3, 空气通过空气压缩机 1经储气罐 2进入油气混合 器 3, 混合后的油气混合物进入沸 腾实验段 9壳 侧受热沸腾, 沸腾后流出的油气混合物进入油气 分离器 10, 未汽化的油进入冷却器 16 充分冷却 后通过玻璃转子流量计返回油箱 8。汽化的油蒸 汽和空气进入油蒸汽分气器 11, 一路经过控制阀 门旁通进入预热器 5中冷凝放热、再经过冷却器 13充分冷却后, 进入油气分离器 14, 液态油经玻 璃转子流量计返回油箱 8, 空气及极少的油蒸汽 经分离器 15, 空气经阻火器排入大气, 油蒸汽经 冷却进入油箱 8; 另一路经过控制阀门进入凝结 实验段 12管内冷却凝结, 由凝结实验段 12管内 流出的油气混合物进入油气分离器 17, 凝结的油 进入冷却器 20充分冷却, 经玻璃转子流量计返回 油箱 8; 未凝结的油蒸汽和空气进入冷却器 18充 分冷却, 进入油气分离 器 19, 液 态油经玻璃转子 流量计返回油箱 8, 空气及极少的的油蒸汽进入 分离器 15, 空气经阻火器排入大气, 油蒸汽被冷
为了保证实验数据的准确性, 实验中所用的 测量仪器均经过了标定, 实验吸热测定量和放热 量热平衡在 ? 5% 范围内。
1. 空气压缩机; 2. 储气罐; 3. 油气混合器; 4. 油气分离器 Ñ (带冷却盘管 ); 5. 预热器; 6. 缓冲罐; 7. 水箱; 8. 油 箱; 9. 沸
腾实验段; 10. 油气分离器 Ò ; 11. 油蒸汽分气器; 12. 冷凝实验段; 13. 冷却器 Ñ ; 14. 油气 分离器 Õ ; 15. 油 气分离器 Ö ; 16.
1 引言
当蒸汽与冷壁面相接触时, 蒸汽会发生从气 相到液相的转变并伴有潜 热释放的冷凝 换热过 程。汽油为多组分的物质, 随凝结温度和压力的 不同, 气态组分也不同, 因此汽油蒸汽的冷凝过程 不是等温等压过程。不凝气体存在于蒸汽中会严 重削弱凝结换热效果已是众所周知的事实, 在空气 的质量含量只有 0. 5% 时, 大空间凝结换热系数就 下降 50% [ 1] , 这是在 蒸汽为静止状 态下得到的。 童正明等 [ 2] 研究了蒸汽与氮气混合物在垂直圆管 内表面的冷凝换热; 吴冬梅等 [ 3] 研究了水平单管外 混合气体的对流冷凝换热; 顾红芳等 [ 4] 研究了含不 凝气体时煤油蒸汽在水平管束外的冷凝; 庄正宁 等 [ 5] 研究了不凝气体存在时水平管束间的冷凝换 热特性。对于水平圆管内的冷凝换热至今很少有 人研究, 为此本实验以汽油为工质, 以空气为不凝 气, 研究了水平管内载气汽油蒸汽的冷凝换热。
收稿日期: 2009- 11- 06 作者简介: 侯银燕 ( 1985- ), 女, 硕士研究生。
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第 1期
却进入油箱 8。冷却水系统中, 冷却水由水箱 7 进入凝结实验段, 进行换热; 回水排出室外。
实验段采用水平套管式换热器, 换热器外管 为 U45mm @ 3. 5mm 的碳钢钢管, 内管 为 U25mm @ 2. 5mm 的无缝钢管, 有效换热长度为 1. 8m。
x ),
R eg
= mLdmx,
h=
KN u d
( 4)
适用范围为: R e1 > 5 @ 103,
R eg
(
Lm Ll
)
(
Ql Qm
)
0.
5
>
2 @ 10
( 5)
式中: L为动力黏度, m 为质量流量, d 为管
图 2 载气汽 油蒸 汽的 冷凝 换热 系数 与以 A ke rs公 式的 计算值的比值与不凝气体含量的关系
ห้องสมุดไป่ตู้
内径, Q为密度, x 为空气质量含量; 下角标 m、l、g
gas and the value ca lcu la ted by A kers fo rmu la
分别为平均、液相、气相。
3. 2 冷凝换热系数与不凝气体含量的关系
图 2是 Akers关于纯蒸汽冷凝的关联式在本
图 3示出了混合物质量流量在 8~ 45kg / h范
准则 Co 代表的物理意义, 液膜 Reyno lds数可以
表示为: R el = de Ql ul /Ll
( 6)
Co =
h
(
K3l Q2l g L2l
)-
1 /3
( 7)
在实际应用中, 可以根据进、出口条件很方便
地求得热负荷 q = Q /A, 因此, 液膜雷诺数可表示
成如下形式 [
6] :
Rel
( 13)
该公式的应用范围为: 介质: 汽油 - 空气的混 合气体; 空气质量含量: 2% < x < 13% ; 3597< R e<
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图 3 载气汽油冷凝换热系数与不凝气质量含气率的关系
F ig. 3 The re lationsh ip betw een the condensation heat transfer
混合物质量流量为 8 ~ 45kg / h, 空气 的质量 含量为 2% ~ 13% , 工质进口压 力为 0. 114 ~ 0. 144M Pa。在冷凝实验段前安装了涡街流 量计来
计量油气混合物的流量, 用水作为冷却介质, 通过 玻璃转子流量计计量其流量。油气混合物的进出 口温度和冷却水的进出口温度由铂电阻 ( PT 100) 测得。本实验进口为饱和汽油蒸汽, 出口为饱和 液态汽油。
Investigation of conden sation heat tran sfer of gasolin e- air m ixtures in horizon tal tube
H ou Y inyan, L iW e i ( Co llege o f U rban Construc tion& Sa fety Eng ineer ing, N anjing U n iversity o f T echno logy, N an jing 210009, Ch ina) Abstrac t: The condensa tion heat transfe r o f gasoline- a ir m ix ture gas ( the rang e o f non- condensab le gas m ass quantity is 2% - 13% ) in hor izonta l tube was carr ied out. Condensation heat transfer character istics is investig ated fo r a horizonta l tube w ith non- condensab le gas. Condensation heat transfer coeffic ient could be predicted by R e and Co of liqu id film. The correlation o f condensation heat transfer coeffic ient was estab lished. K eyword s: T urbu lent liqu id film m ode ,l Condensation hea t transfer, G as- liquid two- phase flow, N on- condensab le gas