Forced convection film condensation on a horizontal tube with and without non-condensing gases

Abstract

Accurate and repeatable heat-transfer data have been obtained for filmwise condensation from pure vapours (steam and R113) and vapour-gas mixtures (steam-air, steam-hydrogen, R113-air and R113-hydrogen) flowing vertically downwards over a single horizontal tube. Surface temperatures were obtained from thermocouples embedded in the tube wall. The heat flux was obtained from coolant measurements which were checked against values obtained by collecting the condensate. The vapour mass flow rate was obtained from the electrical power input to the boiler. The approximate ranges of the variables used were : pressure (4–124 kPa), heat flux (12–455 k W m⁻²), vapour velocity (0.3–26 m s⁻¹), gas mass fraction (0.02–32%). For pure vapours at low to moderate velocities, the mean vapour-side heat-transfer coefficients were in satisfactory agreement with earlier measurements and with theory. At the higher velocities obtained with steam, the coefficients are somewhat smaller than those predicted by theory incorporating the assumption of uniform wall temperature. For all four vapour-gas mixtures a simple boundary-layer theory-based approximate equation gives results in excellent agreement with the measured mass-transfer resistance. The present results for steam-air mixtures are in good agreement with earlier data.

Résumé

Des mesures précises et reproductibles sur le transfert thermique sont effectuées pour la condensation en film de vapeurs pures (vapeur d'eau et R113) et de mélanges de gaz-vapeur (air-vapeur d'eau, hydrogène-vapeur d'eau, air-R113 et hydrogène-R113) qui s'écoulent verticalement vers le bas sur un tube unique horizontal. Les températures de surface sont obtenues par des thermocouples noyés dans la paroi du tube. Les flux de chaleur sont déterminés par les mesures qui sont vérifiées avec les valeurs du débit de condensat. Le débit massique de la vapeur est obtenu à partir de la puissance électrique fournie au bouilleur. Les domaines approximatifs des variables sont: pression (4–124 kPa), flux surfacique (12–455 k W m⁻²), vitesse de la vapeur (0,3–26 m s⁻¹), fraction massique du gaz (0,02–32%). Pour les vapeurs pures à vitesse faible ou modérée, les coefficients moyens de tranfert thermique sont en accord satisfaisants avec des mesures antérieures et avec la théorie. Aux vitesses plus élevées obtenues avec la vapeur d'eau, les coefficients sont plus faibles que ceux prédits par la théorie faite sur l'hypothèse de température pariétale uniforme. Pour tous les quatre mélanges vapeur-gaz, une simple théorie de couche limite avec équation approchée donne des résultats en excellent accord avec la résistance au transfert massique mesurée. Les présents résultats pour les mélanges vapeur d'eau-air sont en bon accord avec des essais antérieurs.

Zusammenfassung

Für die Filmkondensation reiner Dämpfe (Wasser und R113) und Dampf-Gas-Gemische (Wasserdampf-Luft, Wasserdampf-Wasserstoff, R113-Luft und R113-Wasserstoff), die an einem horizontalen Rohr abwärts strömten, wurden genaue und reproduzierbare Wärmeübergangswerte gemessen. Die Oberflächentemperaturen wurden mit Thermoelementen gemessen, die in die Rohrwand eingebettet waren. Der Wärmestrom wurde aus den Temperaturänderungen des Kühlmediums berechnet und mit Werten überprüft, die aus der angefallenen Kondensatmenge ermittelt wurden. Der Dampfmassenstrom wurde aus der elektrischen Leistungsaufnahme des Verdampfers bestimmt. Die ungefähren Parameterbereiche der Untersuchung waren: Druck (4–124 kPa), Wärmestromdichte (12–455 k W m⁻²), Dampfgeschwindigkeit (0,3–26 m s⁻¹), Gasmassenanteil (0,02–32%). Bei reinen Dämpfen mit niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten ergaben sich dampfseitige mittlere Wärmeübergangskoeffizienten in befriedigender Übereinstimmung mit früheren Messungen und der Theorie. Bei höheren Dampfgeschwindigkeiten wurden mit Wasserdampf etwas kleinere Koeffizienten im Vergleich zur Theorie bei Annahme einheitlicher Wandtemperatur gemessen. Bei allen vier Dampf-Gas-Gemischen ergab eine einfache, auf der Grenzschichttheorie basierende Näherungsgleichung Ergebnisse, die in ausgezeichneter Übereinstimmung mit dem gemessenen Stoffübergangswiderstand standen. Die Ergebnisse aus dieser Arbeit für Wasserdampf-Luft-Gemische stimmen gut mit früheren Meβwerten überein.

Реферат

Пoлyчeны тoчныe и вocпpoизвoдимыe дaнныe пo тeплoпepeнocy пpи плeнoчнoй кoндeнcaции чиcтыx paзoв (пap и фpeoн 113) и пapoгaзoвыx cмeceй (пap-вoздyx, пap-вoдopoд, фpeoн-113-вoздyx и фpeoн-113-вoдopoд), cтeкaющиx вepтикaльнo вниз пo гopизoнтaльнoй тpyбe. Teмпepaтypa пoвepxнocти измepялacь тepмoпapaми, зaдeлaнными в cтeнкy тpыбы. Veличинa тeплoвoгo пoтoкa oпpeдeлялacь пo peзyльтaтaм измepeний пoтoкa oxлaдитeля, и зти дaнныe coпocтaвлялиcь c кoличecтвoм oбpaзyющeгocя кoндeнcaтa. Maccoвaя cкopocть пoтoкa пapa oпpeдeлялacь пo пoдвoдимoй элeктpичecкoй мoщнocти. Иccлeдoвaния пpoвoдилиcь в cлeдyющиx диaпaзoнax пapaмeтpoв: дaвлeния —4–124 кПa, вeличины тeплoвoгo пoтoкa —12–435 кBтм⁻², cкopocти пapa —0,3–26 м ceк. мaccoвoй дoли гaзa —0,002–32%. B cлyчae чиcтыx пapoв, кoгдa cкopocть измeняeтcя oт мaлoй вeличины дo yмepeннoй, cpeдниe знaчeния кoзффициeнтoв тeплoпepeнoca co cтopoны пapa yдoвлeтвopитeльнo coглacoвывaлиcь c дaнными paнee пpoвeдeнныx измepeний и peзyльтaтaми pacчeтoв. Пpи бoлee выcoкиx cкopocтяx, имeющиx мecтo в cлyчae вoдянoгo пapa, знaчeния кoэффициeнтoв oкaзaлиcь нecкoлькo низe paccчитaнныx c yчeтoм дoпyщeния oб oднopoднocти тeмпepaтypы cтeнки. Для вcex чeтыpex пapoгaзoвыx cмeceй пpocтoe пpиблизeннoe ypaвнeниe, ocнoвaннoe нa тeopии пoгpaничнoгo cлoя, дaeт peзyльтaты, xopoшo coглacyющиecя c измepeнными знaчeниями coпpoтивлeния мaccoпepeнocy. Пoлyчeнныe peзyльтaты для пapoвoздyшныx cмeceй xopoшo coглacyютcя c paнee пoлyчeнными дaнными.