Su və etanol kimi bir-biri ilə qarışa bilən iki komponentin buxarı birlikdə kondensasiya olduqda, maye filmində yalnız temperatur qradiyenti deyil, konsentrasiya qradiyenti də yaranır. Etanolun səthi gərilməsi sudan daha aşağı olduğuna görə, maye səthindəki tərkib fərqləri səthi gərilmə fərqi yarada bilər və mayeni aşağı səthi gərilməli bölgədən yüksək səthi gərilməli bölgəyə doğru hərəkətə gətirə bilər. Marangoni konveksiyası adlandırılan bu arayüz hərəkəti maye filmini poza və yeniləyə, filmin istilik müqavimətini azalda və kondensasiya istilik ötürülməsini gücləndirə bilər.

Bu eksperimental tədqiqatda etanol–su buxar qarışıqları 26,18 və 34,46 mm daxili diametrli iki тик mis borunun daxili səthində kondensasiya etdirilmişdir. Buxar boru boyunca aşağıya doğru irəliləyərkən soyuducu su borunun xaricindəki annulyar sahədən keçirilmiş və boru divarının üç fərqli eksenel mövqeyində yerləşdirilmiş termocüt cütləri ilə temperatur qradiyenti ölçülmüşdür. Buxar sərfləri 10,94–14,08 kg·h⁻¹, başlanğıc etanol konsentrasiyaları %0–5 aralığındadır.

İstilik ötürmə əmsalı etanol konsentrasiyası artdıqca əvvəl yüksəlmiş, %1-də maksimuma çatmış və sonra azalmışdır. Kiçik boruda maksimum əmsal 104,80 kW·m⁻²·K⁻¹, böyük boruda 78,81 kW·m⁻²·K⁻¹ kimi ölçülmüşdür. Saf su buxarı ilə müqayisədə maksimum yaxşılaşma kiçik boruda %89,92, böyük boruda %71,26-dır.

Bununla birlikdə Marangoni gücləndirməsi boru boyunca sabit qalmamışdır. L/D=3 girişə yaxın bölgədə güclü olan istilik ötürülməsi L/D=6 və xüsusilə L/D=8 istiqamətində ciddi şəkildə azalmış; maksimum attenuasiya %71-ə çatmışdır. Beləliklə, tədqiqat Marangoni kondensasiyasının yalnız “etanol əlavə etmək”lə deyil, etanol nisbəti, boru diametri, buxar sürəti, aşırı soyuma və eksenel mövqenin birlikdə müəyyənləşdirdiyi dar iş pəncərəsində optimallaşdırılmalı olduğunu göstərir.

Марангони таасири деген эмне?

Bir maye arayüzünün fərqli nöqtələrində səthi gərilmə eyni deyilsə, yüksək səthi gərilməli bölgə ətrafındakı mayeni daha qüvvətli çəkir. Bunun nəticəsində səth boyunca aşağı səthi gərilməli bölgədən yüksək səthi gərilməli bölgəyə doğru axın inkişaf edir. Bu axın Marangoni konveksiyası adlandırılır.

Etanol–su sistemində etanol suya görə daha uçucu və daha aşağı səthi gərilməlidir. Kondensasiya zamanı aşağı uçuculuğa malik su kondensatda daha asan zənginləşərkən, etanolun buxar fazasından arayüzə diffuziyası tələb olunur. Beləliklə, maye filmində konsentrasiya qradiyenti yarana bilər.

Bu tərkib qradiyenti temperatur qradiyenti ilə birləşdikdə arayüz boyunca səthi gərilmə fərqləri yaranır. Arayüzdəki maye hərəkəti film quruluşunu poza və yeniləyə, klassik hamar film kondensasiyasına nisbətən daha aşağı istilik müqaviməti yarada bilər.

%1 Etanol Niyə Bu Təcrübədə Ən Güclü İstilik Ötürülməsini Verdi?

Mənbə məlumatlarında bütün boru diametrləri, sərflər və ölçmə bölgələri ümumiyyətlə eyni xarakteristikanı göstərir: etanol konsentrasiyası sıfırdan yüksəldikcə istilik ötürmə əmsalı artır, %1 ətrafında zirvəyə çatır və %2–5 istiqamətində yenidən azalır. Bu davranış Marangoni gücləndirməsinin optimal bir konsentrasiya aralığına malik olduğunu göstərir.

Aşağı etanol əlavəsi arayüzdə kifayət qədər səthi gərilmə qradiyenti yaradaraq kondensat filmini poza bilər. Lakin etanol miqdarı artırılmağa davam etdikdə yalnız səthi gərilmə təsiri deyil, buxar–maye kütlə ötürülməsi və konsentrasiya profili də dəyişir. Nəticədə istilik ötürmə qazancı monoton şəkildə artmır.

Bu təcrübədə optimumun %1 çıxması bütün etanol–su kondensatorları üçün universal optimum deyil. Mənbə ədəbiyyatda xarici səth kondensasiyasında %0,01–0,1 kimi çox daha aşağı optimal konsentrasiyaların bildirildiyini də qeyd edir. Geometriya və axın şərtləri optimal konsentrasiyanı güclü şəkildə dəyişdirə bilər.

Təcrübə qurğusu

Sistem dörd əsas alt sistemdən ibarətdir:

1. Etanol–su qarışıq buxar istehsalı və dövriyyə sistemi,
2. əsas kondensator və soyutma çevrimi,
3. тик borulu təcrübə bölməsi və müstəqil soyutma sistemi,
4. təzyiq, temperatur, sərf və elektrik gücünü qeyd edən məlumat toplama sistemi.

Buxar generatorunda üç elektrik qızdırıcısı vardır. Qızdırıcı gücü dəyişdirilərək buxarın kütlə sərfi tənzimlənir. Buxar təcrübə borusuna yuxarıdan daxil olur və тик olaraq aşağı axır. Test bölməsindən sonra qalan buxar kondensatorda kondensasiya olunur və kondensat nasos vasitəsilə yenidən generatora göndərilir.

Mənbə PDF-in 29–30-cu səhifələrindəki sxem və fotoşəkil real təcrübə qurğusunu; 31-ci səhifədəki kəsit isə тик mis borudan aşağı axan qarışıq buxar ilə annulyar bölgədə yuxarı hərəkət edən soyuducu suyun əks-axın düzənini göstərir.

İki təcrübə borusu

Boru daxili səthləri qarışıq buxar kondensasiyası zamanı daha stabil damlacıq yaranmasını dəstəkləmək məqsədilə dəqiq şəkildə cilalanmışdır.

Divar temperaturu necə ölçüldü?

Borunun A, B və C adlandırılan üç eksenel bölgəsində iki fərqli radial dərinliyə termocüt yerləşdirilmişdir. Bu iki temperatur arasındakı fərq və misin istilik keçiriciliyi istifadə edilərək yerli radial istilik axını hesablanır.

Daxili səth temperaturu \(T_w\), iki gömülü termocüt temperaturundan radial keçiricilik həlli ilə əldə edilir. Daha sonra aşırı soyuma:

\[ \Delta T=T_v-T_w \]

şəklində təyin edilmişdir.

Kondensasiya istilik ötürmə əmsalı:

\[ h=\frac{q}{\Delta T} \]

ilə hesablanır.

Təcrübə aralıqları

Qeyri-müəyyənlik analizi

Aykırı təcrübə məlumatları interquartile range, yəni IQR metodu ilə müəyyənləşdirilmiş və kənarda saxlanılmışdır. Qalan məlumatların medianı müvafiq təcrübə vəziyyətinin təmsilçi dəyəri kimi istifadə edilmişdir.

Aşırı Soyuma Artanda İstilik Ötürmə Əmsalı Niyə Düşür?

Mənbədə həm saf su, həm də etanol–su qarışıqları üçün \(h\), \(\Delta T\) artdıqca monoton şəkildə azalır. Bunun əsas səbəbi aşırı soyumanın kondensasiya sürətini artıraraq divar üzərindəki kondensat maye filmini qalınlaşdırmasıdır.

Film qalınlaşdıqca buxar ilə soyuq divar arasındakı istiliyin daha qalın maye təbəqəsindən keçirilməsi lazımdır. Buna görə ümumi istilik müqaviməti yüksəlir.

Xüsusilə aşağı aşırı soyuma bölgəsində, təxminən \(\Delta T<10\,K\), \(h\) çox yüksək dəyərlərə çıxa bildiyindən \(\Delta T\)-dəki kiçik dəyişikliklərin əmsal üzərindəki təsiri daha kəskindir.

Saf su nümunəsi

Saf su buxarında da eyni monoton azalma görülmüşdür. Buxar sərfi yüksəldikcə aşağı \(\Delta T\)-dəki \(h\) artmış, lakin yüksək və aşağı \(\Delta T\) arasındakı mütləq fərq də böyümüşdür.

Kiçik boruda sərf 10,94-dən 14,08 kg·h⁻¹-ə çıxdıqda \(h\)-nin azalma aralığı təxminən 10,13–30,78-dən 9,47–31,81 kW·m⁻²·K⁻¹-ə genişlənmişdir.

%1 etanol nümunəsi

%1 etanolda eyni azalma meyli daha güclüdür. Kiçik boruda sərf artdıqca ölçülən əmsal azalmasının aralığı təxminən 23,48–54,38-dən 29,85–69,92 kW·m⁻²·K⁻¹-ə qədər genişlənmişdir.

Bu vəziyyət Marangoni ilə təmin edilən yüksək başlanğıc performansının film qalınlaşdıqca güclü şəkildə zəifləyə bildiyini göstərir.

Boru Diametrinin Kiçilməsi Niyə İstilik Ötürülməsini Artırır?

Eyni kütlə sərfində daha kiçik kəsik sahəsi daha yüksək orta buxar sürəti yaradır. Mənbənin şərhinə görə yüksək sürət buxar–maye arayüzündə kəsmə təsirlərini və axın nizamsızlıqlarını gücləndirərək kondensat filmini incəldə bilər.

%1 etanolda və maksimum təcrübə sərfində:

Bu maksimum dəyərlərin birbaşa fərqi kiçik boru lehinə təxminən %32,98-dir.

Buna qarşılıq mənbədə keçən %20,58 dəyəri maksimum \(h\) fərqi deyil, iki borunun saf suya görə istilik ötürmə intensification ratio-ları arasındakı nisbi üstünlüyün yuxarı həddi kimi istifadə edilir.

Изилдөөнүн методу жана жыйынтыктары

%1 etanolda boru boyunca istilik ötürülməsi necə dəyişdi?

Vahid: kW·m⁻²·K⁻¹.

Ən yüksək dəyər həmişə girişə yaxın L/D=3 bölgəsindədir.

Saf Suya Görə Marangoni İstilik Ötürmə Artımı Nə Qədərdir?

Tədqiqat intensification ratio \(\varepsilon\)-ı qarışıq buxarın kondensasiya istilik ötürmə əmsalının saf su buxarındakı əmsala nisbəti kimi istifadə etmişdir.

Kiçik boruda %1 etanol üçün maksimum \(\varepsilon\), buxar sərfi 10,94-dən 14,08 kg·h⁻¹-ə çıxdıqda təxminən:

\[ 1.72\rightarrow1.90 \]

olmuşdur.

Bu, yüksək sərf və giriş bölgəsində saf suya görə maksimum təxminən:

%89,92 istilik ötürmə artımı

mənasına gəlir.

Böyük boruda maksimum intensification ratio təxminən:

\[ 1.59\rightarrow1.71 \]

və maksimum yaxşılaşma:

%71,26

kimi bildirilmişdir.

Bununla birlikdə gücləndirmə aşağı axımda nəzərəçarpacaq şəkildə zəifləmişdir. Yenə də mənbə təcrübə aralığında qarışığın saf suya görə müsbət istilik ötürmə üstünlüyü qorunmuşdur.

İstilik Ötürülməsi Boru Boyunca Niyə %71-ə Qədər Zəiflədi?

Mənbə attenuasiya nisbətini müəyyən bir aşağı axım nöqtəsindəki \(h\)-nin L/D=3-ə görə azalması kimi təyin edir.

Eksenel mövqe ən güclü müəyyənedicidir:

Kiçik boruda orta attenuasiya L/D=6-da %21,98-dən L/D=8-də %62,88-ə yüksəlmişdir.

Böyük boruda isə eyni dəyərlər %29,73 və %63,37-dir.

Aşağı axımda buxarın bir hissəsi artıq kondensasiya olduğu üçün ümumi buxar sərfi azalır; etanol konsentrasiyası dəyişir və kondensat filmi qalınlaşır. Bu üç dəyişiklik Marangoni arayüz hərəkətini və klassik daşınım təsirlərini eyni anda zəiflədə bilər.

Etanol konsentrasiyası attenuasiyanı necə dəyişdirdi?

Attenuasiyanın etanolla əlaqəsi də tək zirvəli bir əyridir. Ən yüksək zəifləmə %1 etanolda görülmüşdür.

Kiçik boruda %1 etanol və L/D=8 üçün orta attenuasiya təxminən:

%67,54

olmuşdur və bu dəyər saf su buxarına görə təxminən %11,8 daha yüksəkdir.

Böyük boruda uyğun artım təxminən %13,1-dir.

Etanol %5-ə çıxarıldıqda attenuasiya yenidən saf su səviyyələrinə yaxınlaşmışdır.

Buxar Sərfinin Təsiri Niyə Boru Diametrinə Görə Tərsinə Dönür?

Kiçik boruda kütlə sərfi artdıqda yüksək sürət və arayüz kəsməsi aşağı axımdakı performans itkisini qismən kompensasiya edir. Mənbədə sərf artımı:

• L/D=6 attenuasiyasını təxminən %10,2,
• L/D=8 attenuasiyasını təxminən %4,5

azaltmışdır.

Böyük boruda isə eyni sərf artımı:

• L/D=6 attenuasiyasını təxminən %12,1,
• L/D=8 attenuasiyasını təxminən %14,8

artırmışdır.

Bu diametr×sərf qarşılıqlı təsiri tədqiqatın ən maraqlı tapıntılarından biridir. Lakin mənbə bunun üçün tam yerli iki-fazalı axın görüntülənməsi və ya detallı CFD mexanizm ayrıştırması təqdim etmədiyindən, tərs davranışın bütün fiziki səbəbi eksperimental olaraq qəti müəyyənləşdirilməmişdir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• Etanol–su qarışığı boru daxili kondensasiyada saf suya görə istilik ötürülməsini artırmışdır.
• Bu təcrübə şərtlərində maksimum performans %1 başlanğıc etanol konsentrasiyasında görülmüşdür.
• İstilik ötürmə əmsalı aşırı soyuma artdıqca azalmışdır.
• Kiçik diametrli boru daha yüksək yerli \(h\) yaratmışdır.
• Ən yüksək ölçülən \(h\) 104,80 kW·m⁻²·K⁻¹-dir.
• Saf suya görə maksimum gücləndirmə kiçik boruda %89,92-dir.
• Marangoni gücləndirməsi aşağı axımda zəifləmişdir.
• Maksimum eksenel attenuasiya %71-ə çatmışdır.
• Attenuasiya da %1 etanol ətrafında maksimum göstərmişdir.
• Sərfin attenuasiya üzərindəki təsiri iki boru diametrində zidd istiqamətlidir.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

• %1 etanolun bütün boru diametrləri və bütün təzyiqlərdə universal optimum olduğu göstərilməmişdir.
• Etanol artdıqca istilik ötürülməsinin davamlı artacağı göstərilməmişdir.
• 104,80 kW·m⁻²·K⁻¹ dəyəri bütün boru boyunca keçərli deyil; girişə yaxın ən yüksək yerli nəticədir.
• %89,92 artım bütün təcrübə nöqtələrinin orta artımı deyil; ən yüksək gücləndirmə vəziyyətidir.
• Mənbə öz təcrübəsində kondensat damlacıqlarının zaman həllətli birbaşa vizual analizini təqdim etmir.
• Tədqiqat üfüqi və ya maili borular üçün eyni optimumları doğrulamır.
• Nəticələr sənaye miqyaslı tam uzunluqlu kondensatorların uzunmüddətli performansını birbaşa sübut etmir.

Булак жана метод эскертүүсү

Orijinal başlıq: Experimental Study on Marangoni Condensation Heat Transfer of Ethanol-Water Vapor Mixture in Vertical Circular Tubes

Müəlliflər: Ming Sun; Huanhuan Liu; Shenhua Hu; Ruifeng Ji; Binghao Fan; Jiyu Wang; Yi An.

Məsul müəllif: Ming Sun.

Qurumlar: School of Electrical Engineering, Xinjiang University; Engineering Research Center of Northwest Energy Carbon Neutrality, Ministry of Education; School of Control Science and Engineering, Dalian University of Technology.

Mənbə növü: SSRN preprint.

SSRN Abstract: 6920620.

Hakemlik vəziyyəti: Mənbə PDF açıq şəkildə “This preprint research paper has not been peer reviewed” və “Preprint not peer reviewed” ifadələrini daşıyır.

Əsas təcrübə: Etanol–su qarışıq buxarının iki fərqli daxili diametrli тик mis boruda aşağı axınlı daxili kondensasiyası.

Boru diametrləri: 26,18 mm və 34,46 mm.

Effektiv test uzunluğu: 223,8 mm.

Buxar sərfləri: 10,94; 12,53; 14,08 kg·h⁻¹.

Etanol konsentrasiyaları: %0; %0,5; %1; %2; %5.

Mənbədə verilən doymuşluq temperaturu: 371,65 K.

Ölçmə bölgələri: L/D≈3, 6 və 8.

Məlumat emalı: Divar daxilindəki iki radial temperatur ölçməsindən Fourier keçiriciliyi ilə \(q\) və \(T_w\) hesablama; \(h=q/(T_v-T_w)\); IQR ilə aykırı məlumat təmizlənməsi və qalan məlumatların medianının istifadə edilməsi.

İstilik ötürmə əmsalı qeyri-müəyyənliyi: ±%7,07.

Maliyyələşmə: Major Science and Technology Special Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Grant 2023A01005-1; Fundamental Research Funds for the Universities of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Grant XJEDU2025J003; National Undergraduate Innovation and Entrepreneurship Training Program, Grant 202510755019.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər maliyyə və ya şəxsi maraqlar toqquşması bildirmirlər.

Məlumat əlçatanlığı: Məlumatların tələb olunduqda təqdim ediləcəyi bildirilmişdir.

Mənbədaxili təzyiq uyğunsuzluğu: Table 3-də 94,5 kPa yer aldığı halda Results başlanğıcında 84,5 kPa yazılır; bir çox nəticə qrafikində təxminən 85 kPa istifadə edilmişdir. Bu Verianla mətni bu dəyərləri zorla tək bir təzyiqə çevirmir.

Mənbədaxili boru qalınlığı uyğunsuzluğu: Measurement points mətnində iki boru üçün təxminən 2,91 və 3,81 mm divar qalınlıqları ifadə edilərkən Table 2 başlığında hər iki boru üçün 2,969 mm görünür. Geometrik hesablamaların detallı \(\alpha\) və \(\delta\) məlumatları ayrıca cədvəldə verilmişdir.

Mənbədaxili %20,58 qeydi: Xülasə kiçik borunun istilik ötürmə əmsalını böyük borudan %20,58 yüksəkmiş kimi ifadə edir. Results bölməsində maksimum \(h\) dəyərləri 104,80 və 78,81 kW·m⁻²·K⁻¹ olub birbaşa fərq təxminən %32,98-dir. %20,58 dəyəri Section 4.3-də intensification ratio-nun diametr kiçilməsi ilə nisbi artımının yuxarı həddi kimi açıqlanmışdır.

Vizual doğrulama sərhədi: PDF-in test kəsiti sxemindəki kondensat film/damlacıq göstərimi müəlliflərin bildirdiyinə görə Reference [43]-dəki müşahidələrə əsaslanaraq çəkilmişdir. Bu tədqiqatın əsas ölçmələri temperatur, təzyiq, sərf və törədilmiş istilik ötürmə əmsallarıdır.

Vizual yenidən çəkmə qeydi: Verianla üçün ən uyğun özgün elmi vizual; тик mis boruda aşağı irəliləyən etanol–su buxarını, divardakı kondensat filmində Marangoni səth axınını, %1 optimal konsentrasiyanı, 26,18/34,46 mm diametr fərqini və L/D=3→6→8 boyunca zəifləyən istilik ötürməsini birlikdə göstərə bilər.