Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 13
1.1. Количественные характеристики двухфазных потоков в каналах 13
1.2. Исследования теплообмена при кипении смесей в трубах 20
1.3. Модели коэффициента теплоотдачи 26
1.4. Выводы по главе 1 32
2. Экспериментальный стенд для исследования теплообмена при кипении многокомпонентных рабочих тел 33
2.1. Параметры проектирования 33
2.2. Описание экспериментальной установки 33
2.3. Компрессор 37
2.4. Методика определения коэффициента теплоотдачи 37
2.5. Конструкция экспериментального участка 39
2.6. Участок измерения расхода 45
2.7. Нагреватель 48
2.8. Измерительная система 48
2.8.1. Измерение температуры 50
2.8.2. Измерение давления 52
2.8.3. Измерение перепада давления 53
2.9. Источник постоянного тока 54
2.10. Тепловой баланс экспериментального участка 55
2.11. Тестирование экспериментального участка 58
2.12. Оценка неопределенностей 59
2.13. Выводы по главе 2 61
3. Экспериментальные данные по теплообмену при кипении многокомпонентных рабочих тел 62
3.1. Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных 62
3.2. Экспериментальные данные по кипению смеси CH4/C2H4/C3H8 (0,45/0,35/0,20 моль) 63
3.3. Экспериментальные данные по кипению смеси CH4/C2H4/C3H8/C4H10 (0,4/0,2/0,2/0,2 моль) 66
3.4. Экспериментальные данные по кипению смеси R14/R23/R22/R236fa (0,4/0,2/0,2/0,2 моль) 68
3.5. Экспериментальные данные по кипению смеси R14/R23/R236fa (0,4/0,3/0,3 моль) 70
3.6. Выводы по главе 3 72
4. Сравнение экспериментальных и расчетных данных 73
4.1. Сравнение с экспериментальными данными из опыта 1 74
4.2. Сравнение с экспериментальными данными из опыта 2 75
4.3. Сравнение с экспериментальными данными из опыта 3 76
4.4. Сравнение с экспериментальными данными из опыта 4 78
4.5. Выводы по главе 4 79
5. Заключение 81
6. Условные обозначения и сокращения 83
7. Список использованных источников 86
8. Приложения 94
8.1. Приложение А: методика Little для расчета КТО при кипении смесей 94
8.2. Приложение Б: градуировка участка измерения расхода 97
8.3. Приложение В: градуировка средств измерения температуры 99
8.3.1. Градуировка термопар 99
8.3.2. Градуировка ПТС 103
8.4. Приложение Г: Оценка неопределенностей измерений 108
- Исследования теплообмена при кипении смесей в трубах
- Конструкция экспериментального участка
- Экспериментальные данные по кипению смеси CH4/C2H4/C3H8 (0,45/0,35/0,20 моль)
- Экспериментальные данные по кипению смеси R14/R23/R236fa (0,4/0,3/0,3 моль)
Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы наблюдается возрастание интереса к использованию многокомпонентных рабочих тел в низкотемпературных установках. Это связано во многом с запретом на использование ряда хладагентов, подпадающих под действие Монреальского и Киотского протоколов, и активным поиском веществ, способных их заменить. А также тем фактом, что во многих случаях использование смесей позволяет повысить энергетическую эффективность низкотемпературных систем. Однако, расчет рекуперативного теплообменника таких систем опирается, главным образом, на эмпирические зависимости, которые не позволяют разработать оптимальную конструкцию теплообменника. Отчасти это связано с тем, что процесс кипения смесей недостаточно изучен, вследствие чего на данный момент отсутствуют соотношения, позволяющие прогнозировать коэффициент теплоотдачи в процессе кипения многокомпонентных рабочих тел. Недостаток подробных экспериментальных данных по коэффициенту теплоотдачи при кипении смесей, ставит вопрос о необходимости проведения опытов и расширения базы экспериментальных данных.
Цели и задачи
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию теплообмена в процессе кипения многокомпонентных рабочих тел, используемых в низкотемпературных установках, при их вынужденном течении в горизонтальной обогреваемой трубе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проектирование и монтаж экспериментального стенда для исследования теплообмена в процессе кипения многокомпонентных рабочих тел;
Апробация методики определения коэффициента теплоотдачи при кипении смесей;
Проведение серии экспериментов по исследованию теплообмена в процессе кипения многокомпонентных рабочих тел;
Обработка и анализ полученных экспериментальных данных.
Научная новизна работы
Получены новые экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении многокомпонентных смесей: углеводородных (метан, этилен, пропан, изобутан) и фреоновых (R-14, R-23, R-22, R-236fa), при их вынужденном течении в горизонтальной обогреваемой трубе.
Практическая ценность работы
Предполагается, что полученные экспериментальные данные помогут лучше понять механизмы теплоотдачи в двухфазных системах. Эти результаты могут
быть использованы для проверки существующих соотношений, либо послужить основой для создания новых, путем включения в них эмпирических констант.
Достоверность результатов работы
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов диссертационной работы обеспечивается и подтверждается:
Тщательной проработкой методов измерения, использованием дублирующих методов измерения, результатами анализа погрешностей измерений;
Своевременной поверкой используемой аппаратуры, предварительной тарировкой всех используемых первичных датчиков;
Системой автоматического сбора информации, которая позволяет быстро и надежно снимать большое количество первичных измерений;
Воспроизводимостью результатов эксперимента и согласованностью их с имеющимися в литературе данными, полученными в близких условиях.
Положения, выносимые на защиту
-
Конструкция экспериментального стенда и методика определения коэффициента теплоотдачи при кипении многокомпонентных смесей;
-
Результаты экспериментальных исследований теплообмена при кипении многокомпонентных смесей: углеводородных (метан, этилен, пропан, изобутан) и фреоновых (R-14, R-23, R-22, R-236fa), при их вынужденном течении в горизонтальной обогреваемой трубе.
Личный вклад автора
Автором диссертации создан экспериментальный стенд с автоматизированной системой сбора и обработки информации, предназначенный для исследования теплообмена в процессе кипения многокомпонентных рабочих тел при их вынужденном течении в трубе. Проведены экспериментальные исследования теплообмена при кипении углеводородных и фреоновых смесей для условий вынужденного течения в горизонтальной трубе. Выполнена обработка полученных экспериментальных данных и произведено их сравнение с расчетными значениями, полученными из различных соотношений.
Публикации
Основные результаты и положения диссертационной работы изложены в 7 публикациях, из них 2 в рецензируемых журналах из списка ВАК, 5 работ в сборниках трудов и тезисов конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация общим объемом 110 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка цитируемых источников и приложений. Список цитируемых источников составляет 79 наименований.
Исследования теплообмена при кипении смесей в трубах
Nellis [23] произвел измерения локального КТО при кипении азот-углеводородной смеси для различных составов, температур, массовых расходов и давлений. Согласно его исследованиям, КТО в условиях однофазного течения смеси хорошо описывается уже существующим соотношением Диттуса-Белтера (Dittus-Boelter) для однофазных потоков. Также в его опытах наблюдалось несущественное влияние состава смеси и давления на КТО, в тоже время расход оказывал значительный эффект. На рисунке 1.6 представлен результат одного из опытов Nellis. Параметры эксперимента приведены в таблице 1.3.
Температура, Barraza [37] в своей работе также производил измерения КТО при кипении углеводородных и фреоновых смесей. Он занимался детальным изучением влияния различных параметров (давление, состав, диаметр канала, расход и.т.д.) на КТО. На рисунках 1.7 и 1.8 в качестве примера представлено влияние диаметра канала на КТО при кипении смесей.
Другие авторы, такие как Боярский [6], Gong [38], Ardhapurkar [39] производили измерения общего КТО для теплообменников со смесями при криогенных температурах. Однако, их данные имеют ограниченное применение, так как осредненный КТО не может быть распространен на другие системы с различающейся геометрией и параметрами цикла.
Других работ, в которых приводились бы экспериментальные данные по значению КТО для смесей с таким же большим количеством компонентов и в столь же широком диапазоне рабочих температур, обнаружено не было. Есть несколько исследований, которые приводят неполные данные для трехкомпонентных смесей, такие как, например, Zhang [40], но в данной работе температурный глайд исследуемых смесей составляет менее 10 К. В общем, существующие экспериментальные данные для КТО получены для случая кипения бинарных смесей с малым температурным глайдом и при температурах близких к комнатной. Но и эти данные, хотя и не напрямую, все же имеют отношение к данной работе, так как результаты, полученные для бинарных смесей, позволяют понять поведение КТО в области двухфазных потоков. Несколько исследований на бинарных смесях показали, что они ведут себя иначе чем чистые вещества, когда с ними происходит фазовый переход. Stephan [41] указывает, что КТО для смесей ниже чем для отдельно взятых чистых компонентов, входящих в их состав, при одинаковых параметрах потока. Снижение КТО объясняется различием составов жидкой и паровой фаз, что приводит к возникновению массопереноса, препятствующего теплообмену [42]. Экспериментальная работа, проведенная Jung [43], подтверждает подавление пузырькового кипения у смесей по сравнению с чистыми компонентами; измеренный КТО для смесей в данной области оказался н а 3 6 % ниже чем для чистых веществ, при одинаковых параметрах потока. Sardesai [44] объясняет это тем, что многокомпонентность оказывает влияние на пузырьковое кипение из-за диффузии составляющих, увеличивающей термическое сопротивление. Этот эффект падения КТО в значительной степени уменьшается в области, где преобладает конвекция. Другой причиной уменьшения КТО у смесей является нелинейное и сильное варьирование термодинамических и теплофизических свойств в зависимости от состава и температуры. Shin [45] сделал вывод, что КТО сильно зависит от теплового потока в области с низким паросодержанием и перестает зависеть от него по мере роста паросодержания. КТО при пузырьковом кипении бинарной смеси аммиак/вода исследовался Inoue [46]. Inoue утверждает, что известные модели КТО не способны достаточно точно описать его экспериментальные данные. Также Inoue показывает, что КТО у смеси аммиак/вода становится значительно ниже, чем у каждого из компонентов.
Процесс кипения при течении жидкости в горизонтальной трубе имеет свои сложности в описании, даже для случая с чистым веществом. Steiner и Taborek [47] утверждают, что различные режимы течения характеризуются различными значениями КТО во время кипения. Collier и Thome [48] описывают процесс кипения потока в горизонтальной трубе с учетом режимов течения, которые наблюдаются во время испарения жидкости. Как только переохлажденная жидкость поступает в трубу, к которой подводится тепловая нагрузка, она начинает нагреваться, а ее температура повышаться, пока не достигнет точки насыщения (x=0). В процессе испарения в потоке могут наблюдаться различные режимы течения, включая пузырьковый, снарядный, волновой, кольцевой, расслоенный и практически полное высыхание стенки прежде чем пар достигнет состояния насыщения (x=1). При кипении в трубах необходимо учитывать два фактора, определяющих интенсивность теплопереноса от стенки к потоку: собственно, процесс пузырькового кипения с интенсивным перемешиванием жидкости у стенки быстрорастущими пузырьками пара; и конвекция при вынужденном движении теплоносителя в канале. Пузырьковое кипение происходит на границе раздела стенка – жидкость и в основном оно доминирует при низких паросодержаниях. Пузырьки пара, образующиеся в процессе кипения, собираются в центре трубы, занимая значительную часть проходного сечения канала даже при низких массовых паросодержаниях, так как пар обладает значительно большим удельным объемом. Это приводит к тому, что скорость течения жидкости возрастает и ей приходится течь возле стенки (кольцевой режим течения), образуя тонкую пленку, которая продолжает испаряться в процессе кипения. На границе раздела жидкость-пар конвекция способствует процессу испарения и преобладает над пузырьковым кипением при более высоких паросодержаниях. При высоких паросодержаниях возможно высыхание пленки жидкости в верхней части трубы из-за воздействия сил гравитации. По мере утонения жидкой пленки она перестает смачивать весь периметр трубы. При диаметрах трубы менее 3 мм наблюдается несколько иная картина. Во многих литературных источниках каналы диаметром от 0,2 до 3 мм называются мини каналами [49]. В мини каналах существенное влияние на режимы течения оказывает поверхностное натяжение. Согласно Kandlikar [49] преобладающими режимами течения в малых каналах являются пузырьковый и снарядно-кольцевой. Следовательно, размер трубы также является важным объектом исследования.
Для чистых веществ КТО зависит от массового расхода, теплового потока, паросодержания, свойств потока рабочего тела, режима течения, размера трубы, геометрии и ориентации в пространстве. В случае с зеотропными смесями на КТО может оказывать влияние различие составов жидкой и паровой фаз.
Конструкция экспериментального участка
Наиболее широко распространенными в промышленности являются теплообменники, где в качестве каналов используются горизонтально ориентированные трубы. Поэтому было принято решение исследовать КТО в горизонтальном канале. Существует условная классификация каналов на большие, микро- и макроканалы [69 - 74]. Согласно ей, каждый тип имеет свою специфику протекания процессов передачи тепла. В данной работе в связи с конструктивными особенностями установки диаметр экспериментального участка составляет 6 мм, что согласно большинству критериев, относит его к большим каналам.
Количество подводимого тепла должно быть таким, чтобы вызвать достаточный для фиксирования датчиками градиент температур в радиальном направлении стенки и в то же время не привести к сильному изменению температуры потока рабочего тела между входом и выходом экспериментального участка, что сказывается на сильном изменении его теплофизических свойств, режима течения, механизма теплоотдачи. Для этого было произведено предварительное моделирование обогреваемого блока в пакете COMSOL (рисунок 2.8). Осуществлялась оценка достигаемых температурных градиентов в
Температурный градиент поперек стенки обогреваемого блока зависимости от материала обогреваемого блока. В результате было решено изготавливать экспериментальный участок из нержавеющей стали, так как она обеспечивает наибольший градиент температур (3-5 К в зависимости от температуры потока) в радиальном направлении из всех наиболее широко распространенных конструкционных материалов вследствие того, что обладает меньшей теплопроводностью.
Экспериментальный участок (рисунок 2.10) состоит из двух одинаковых, соединенных вместе, обогреваемых блоков (для повышения достоверности экспериментальных данных). Каждый обогреваемый блок представляет собой толстостенный цилиндр из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, на который намотана манганиновая проволока, при протекании электрического тока по которой происходит подвод тепловой нагрузки к участку. Внутри цилиндра имеется сквозное отверстие для прохождения потока рабочего тела. Параметры нагревательных элементов представлены в таблице 2.3:
Обогреваемый блок схематично представлен на рисунке 2.9 в виде толстостенного цилиндра высотой 50 мм и диаметром 30 мм. Для удобства наматывания манганиновой проволоки на наружной поверхности блока имеется резьба, в пазы которой укладывается провод. Для прохождения потока рабочего тела в нем предусмотрено сквозное отверстие диаметром 6 мм. В толстостенной части цилиндра, с отступом 10 мм от каждого края, в радиальном направлении просверлены три отверстия диаметром 1 мм каждое, для установки термопар. Внутренняя поверхность канала подвергалась обработке шлифованием (Ral,6), чтобы уменьшить шероховатость поверхности, влияющую на структуру течения потока рабочего тела.
Между собой обогреваемые блоки соединены с помощью муфт и трубки, имеющих такой же внутренний диаметр и выполненных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Для измерения давления и контроля температуры потока на входе и выходе экспериментального участка предусмотрены коннекторы. Они изготовлены из стали 12Х18Н10Т. Каждый коннектор имеет сверху отверстие, в которое впаивается штуцер для установки датчика давления. Сквозное отверстие имеет тот же диаметр, что и диаметр канала для прохождения потока рабочего тела, равный 6 мм. В нижней части коннектора имеется цилиндрический паз для установки платиновых термометров сопротивления (ПТС), которые служат для измерения температуры потока рабочего тела. Также на небольшом удалении от коннекторов, как на входе, так и на выходе из экспериментального участка, установлены тройники, в которые сверху устанавливаются термопары для контроля температуры потока рабочего тела.
С одной стороны, коннектор соединяется с обогреваемым блоком, а с другой – с тройником, в котором установлена термопара контроля температуры потока рабочего тела. В результате экспериментальный участок представляет собой последовательное соединение тройников, коннекторов и обогреваемых блоков, тела. Однако, из-за наличия конвективного теплообмена с окружающим пространством камеры будут иметь место теплопритоки, которые учитываются при проведении расчетов КТО.
Экспериментальные данные по кипению смеси CH4/C2H4/C3H8 (0,45/0,35/0,20 моль)
Первое исследуемое рабочее тело — это смесь углеводородов: метана, этилена (этена) и пропана, с мольными долями 45 %, 35 % и 20 % соответственно. Была проведена серия экспериментов с данным составом смеси, результаты которых представлены на рисунках 3.1 и 3 . 2 в зависимости от средней температуры потока рабочего тела и балансового паросодержания. Неопределенность полученных экспериментальных данных в данном опыте не превышала 23 %. Кроме того, на этих рисунках представлены экспериментальные данные Barraza [37] по кипению смеси CH4/C2H6/C3H8 (45/35/20 mol %).
Исследуемая смесь и смесь в эксперименте Barraza имеют несколько различный состав, а также опыты проводились при различающихся параметрах потока, однако, наблюдается качественное совпадение в поведении КТО. Более подробная информация о параметрах экспериментов представлена в таблице 3.2. (черные квадратики)
КТО в опыте Могорычного/Должикова несколько ниже чем в опыте Barraza. Это связано с тем, что в первом случае диаметр канала экспериментального участка 6 мм, а во втором – 3 мм. Также в опыте авторов работы несколько меньшая плотность потока массы и теплового потока, что также сказывается на величине
КТО. Еще можно отметить различие давлений кипения, при которых производились измерения, что сказывается на том, что кривая КТО автора работы несколько смещена влево, по сравнению с результатами Barraza. В остальном же наблюдается хорошее качественное совпадение экспериментальных данных обоих авторов. В обоих случаях можно увидеть так называемую “п-образную” кривую, характерную для процесса кипения многокомпонентных рабочих тел. В начале наблюдается резкий скачок КТО, связанный с переходом преобладающего механизма теплоотдачи с конвекции на кипение. Затем наблюдается площадка, на которой значение КТО более-менее постоянно. И в конце происходит резкое снижение КТО, связанное с тем, что пар начинает контактировать со стенкой канала. К сожалению, в связи с конструктивными особенностями экспериментальной установки, не удалось получить полную (во всем диапазоне температур кипения) кривую изменения КТО, тем не менее имеющиеся результаты несут в себе ценную информацию.
Экспериментальные данные по кипению смеси R14/R23/R236fa (0,4/0,3/0,3 моль)
Следующее исследуемое рабочее тело — это смесь фреонов: R-14, R-23 и R-236fa, с мольными долями 40 %, 30 % и 30 % соответственно. Была проведена серия экспериментов с данным составом смеси, результаты которых представлены на рисунках 3.7 и 3.8. Неопределенность полученных экспериментальных данных в данном опыте не превышала 19 %. Кроме того, на этих рисунках представлены экспериментальные данные Barraza [37] по кипению смеси R14/R23/R32/R134a (35/15/15/35 mol %).
Исследуемая смесь и смесь в эксперименте Barraza имеют несколько различный состав, однако наблюдается качественное совпадение в поведении КТО. Более подробная информация о параметрах экспериментов представлена в таблице 3.5.
КТО в данном опыте автора работы также несколько выше чем в эксперименте Barraza на фреоновой смеси. Экспериментальные данные обоих авторов указывают на рост КТО на протяжении всей двухфазной области. В отличии от углеводородных смесей у фреоновой смеси наблюдается существенное увеличение КТО по мере роста паросодержания потока. Максимальное значение КТО достигается в области балансовых паросодержаний 0,8 – 0,9. В абсолютных же значениях КТО при кипении фреоновых смесей оказался несколько ниже чем у углеводородных смесей.