Введение к работе
Актуальность. Задача о необходимости экономного и рационального расходования топливно-энергетических ресурсов - одна из важных задач энергетики России и Вьетнама. Как известно судовые холодильные установки (СХУ) и системы кондиционирования воздуха (СКВ) на судах являются одними из наиболее энергоемких объектов. На работу СХУ и СКВ современного рыбопромыслового судах затрачивается не менее половины общего количества электроэнергии, вырабатываемой судовой электростанцией. Для уменьшения расхода топлива и энергетических затрат в этих системах необходимо внедрение новых рабочих веществ и более эффективной теплообменной аппаратуры.
Кожухотрубные испарители затопленного типа, в которых рассол охлаждается внутри трубок, а хладагент кипит в межтрубном пространстве, широко применяются в средних и крупных судовых холодильных установках большой производительности благодаря высокой энергетической эффективности. Тем не менее имеют большие габариты и массу. Повышение компактности, снижение массы, стоимости и уменьшение энергозатрат этих аппаратов являются важными задачами. Решить их возможно путем интенсификации теплообмена.
Перспективным направлением в интенсификации теплоотдачи при кипении на наружной поверхности труб является применение труб с развитой поверхностью теплообмена. Высокая теплоотдача может быть получена при использовании труб с частично замкнутым объемом (ЧЗО). Трубы с развитой поверхностью теплообмена, а именно трубы с ЧЗО, инициируют кипение при меньших перепадах температур и поддерживают его при низких плотностях теплового потока. Вследствие этого, кипение на трубе с ЧЗО характеризуется большими значениями коэффициента теплоотдачи, чем на гладких и оребренных трубах.
Несмотря на то, что метод интенсификации теплообмена с помощью труб с развитой поверхностью теплообмена известен достаточно давно, исследований по влиянию таких факторов как форма ребер, концентрация масла при кипении смесевых хладагентов на трубах с ЧЗО к настоящему времени недостаточно, поэтому требуется дальнейшее изучение влияния этих параметров на теплообмен при кипении новых хладагентов, например, R410A на трубах с ЧЗО.
Нужно также отметить, что в настоящее время, в связи с экологическими требованиями, во Вьетнаме и России особо важными являются вопросы о замене озонораз-рушающих хладагентов на судах. Согласно новым правилам классификации и постройки морских судов мировых стран разрешено использовать новые хладагенты: R134A, R404A, R407C, R507 и R410A. Анализ имеющихся литературных данных показывает, что публикаций по определению коэффициента теплоотдачи при кипении хладагентов R134A, R404A, R407C и R507 в большом объеме довольно много.
R410A имеет нулевой потенциал истощения озонового слоя Земли, является нетоксичным и непожароопасным. R410A рекомендуется применять в новых холодильных установках в качестве альтернативы запрещаемому R22.
В настоящее время практически отсутствуют работы дающие обобщенную формулу для определения коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента R410A и
его смеси с маслом на трубах с ЧЗО. Это затрудняет возможность рационального проектирования кожухотрубных испарителей затопленного типа с применением труб с ЧЗО, работающих на перспективном смесевом хладагенте R410A.
На основании вышеизложенного была определена необходимость проведения исследований по кипению хладагента R410A и его смеси с маслом на трубах с ЧЗО в испарителях судовых холодильных машин.
Цель работы - Интенсификация теплоотдачи при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 в испарителях судовых холодильных машин с помощью труб с частично замкнутым объемом.
В соответствии с целью ставятся следующие задачи исследования:
разработать новые теплообменные трубы с ЧЗО для интенсификации теплообмена при кипении хладагента R410A на наружной поверхности труб;
создать экспериментальную установку для исследования теплоотдачи при кипении R410A и его смеси с маслом на трубах с разными поверхностями теплообмена;
получить новые экспериментальные данные о теплообмене при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 на оребренной трубе и трубах с ЧЗО в диапазонах параметров, характерных для судовых холодильных установок и систем кондиционирования воздуха на судах;
выявить влияние плотности теплового потока, давления, профиля ребер и концентрации масла на коэффициенты теплоотдачи при кипении R410A и его смеси с маслом BSE 32 на разных поверхностях теплообмена;
получить зависимости, обобщающие экспериментальные данные для расчета и проектирования судовых испарителей затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО;
выполнить тепловой и конструктивный расчеты судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО.
Научная новизна:
-
разработана новая теплообменная труба с развитой поверхностью теплообмена для интенсификации процесса теплообмена при кипении хладагентов в большом объеме и выявлены области наиболее эффективного ее применения;
-
впервые экспериментально количественно оценены влияние давления, плотности теплового потока, формы ребер и концентрации масла на теплоотдачу при кипении на трубах с ЧЗО хладагента R410A и его смеси с маслом;
-
получены новые уравнения, обобщающие экспериментальные данные по кипению хладагента R410A и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;
На защиту выносятся:
разработанные теплообменные трубы с ЧЗО;
результаты экспериментальных исследований теплоотдачи при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;
оценка влияния давления, плотности теплового потока, формы ребер и концентрации масла на теплоотдачу при кипении на трубах с ЧЗО хладагента R410 А и его смеси с маслом BSE 32;
полученные зависимости для расчета судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО при кипении R410A и его смеси с маслом BSE 32;
рекомендации по применению труб с ЧЗО в испарителях судовых холодильных машин.
Достоверность результатов исследования. Цель исследования достигнута, благодаря тому, что она основана на новых экспериментальных исследования отечественных и зарубежных авторов, на базе известных научных достижений в области кипения новых хладагентов на трубах с развитой поверхностью теплообмена. Использованы надежные поверенные контрольно-измерительные приборы для измерения давления, термо-ЭДС и электрической мощности. Стенд обкатан на R22, получена хорошая сходимость наших и ранее полученных другими авторами результатов.
Практическая значимость работы:
разработаны и предложены к использованию трубы с ЧЗО;
дополнен материал по кипению смесевого хладагента R410A и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;
полученные экспериментальные данные необходимые при проектировании и конструировании судовых испарителей затопленного типа, работающих на R410A и его смеси с маслом;
получены уравнения, которые могут использоваться для проектирования и разработки испарителей затопленного типа на судах.
Личный вклад автора. В диссертацию включены результаты экспериментов, полученные лично автором либо в соавторстве с научным руководителем. Выполнен анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований по интенсификации процесса кипения хладагента R410A и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО. Получен патент на трубу Y-профиля, разработка и изготовление экспериментального стенда и методики проведения экспериментов, проведение экспериментальных исследований при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом на трубах с развитыми поверхностями.
Апробация работы. Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось: на заседаниях кафедры «Холодильные машины», заседаниях Ученого совета «Механико-технологического института» ФГБОУ ВПО «АГТУ»; на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТУ» (2011 - 2013 гг.); научно-технической конференции с международным участием «25-летие монреальского протокола по озоноразрушающим хладагентам в контексте экологической бивалентности и доминирующей реальности» (г. Санкт-Петербург 01.2013 г.); международной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук (II) (г. Пермь, 03.2013г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе 6 по списку ВАК Министерства образования и науки России, а также получен патент РФ № 123910 «Теплообменная труба».
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Общий объем составляет 140 страницы машинописного текста, 47 рисунков, 4 таблицы. Список использованных источников включает 133 наименования.
