Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и обобщение результатов исследований по интенсификации процесса кипения внутри труб 17
1.1 .Гидродинамика и теплообмен при кипении внутри гладкой трубы 17
1.2.Анализ способов интенсификации теплообмена при кипении жидкостей в трубах 33
1.3. Интенсификация теплообмена при закрутке потока в трубах с помощью ленточных турбулизаторов 49
1.4. Выводы. Цели и задачи исследования 64
2. Аналитическое исследование течения двухфазного потока внутри трубы с ленточным турбулизатором 69
2.1 .Моделирование режимов течения двухфазных потоков в трубах 69
2.2.Аналитическая модель течения двухфазного закрученного ленточными турбулизаторами потока 74
3. Экспериментальные стенды по исследованию теплообмена и гидродинамики закрученных потоков и методики проведения опытов 88
3.1.Экспериментальный стенд и методика проведения исследования влияния ленточных турбулизаторов на гидродинамику и теплообмен при вынужденном движении двухфазного водовоздушного потока внутри горизонтальной трубы 88
3.2. Экспериментальный стенд для исследования интенсивности теплообмена и падения давления при кипении холодильного агента R407C внутри трубы с ленточными турбулизаторами
3.2.1 .Экспериментальный стенд 94
3.2.2.Методика проведения исследований 100
3.2.3.Методика обработки экспериментальных данных. Оценка погрешности эксперимента 102
4. Результаты экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики при течении двухфазных потоков внутри горизонтальных труб с ленточными турбулизаторами 111
4.1.Результаты визуального наблюдения за течением двухфазного потока внутри горизонтальной трубы с ленточной вставкой 111
4.2.Обработка и анализ экспериментальных данных в зависимости от режимных и геометрических параметров 116
4.2.1. Влияние режимных и геометрических параметров на коэффициент теплоотдачи 118
4.2.2. Влияние режимных и геометрических параметров на падение давления в трубе 126
4.2.3. Анализ изменения относительных величин NuHHT/Nur и ДРИНТ/ДРГЛ в зависимости от режимных и геометрических параметров 131
5. Обобщение экспериментальных данных и проверка адекватности аналитических и эмпирических зависимостей 141
5.1. Зависимости для определения падения давления в трубе с ленточным турбулизатором при течении двухфазного потока 141
5.2. Зависимости для определения коэффициента теплоотдачи в трубе с ленточным турбулизатором при течении двухфазного потока 145
5.3. Проверка адекватности аналитической модели. Сопоставление расчетных значений с результатами экспериментального исследования по теплоотдаче в трубах с ленточными турбулизаторами 149
6. Рекомендации по использованию результатов исследования 154
6.1. Практические рекомендации по эффективному применению ленточных турбулизаторов для интенсификации теплообмена при внутритрубном кипении хладагента R407C 154
6.2. Методика расчета испарителя с кипением холодильного агента внутри труб с ленточными турбулизаторами и пример расчета. 156
Выводы 165
Литература 168
- Интенсификация теплообмена при закрутке потока в трубах с помощью ленточных турбулизаторов
- Экспериментальный стенд для исследования интенсивности теплообмена и падения давления при кипении холодильного агента R407C внутри трубы с ленточными турбулизаторами
- Влияние режимных и геометрических параметров на падение давления в трубе
- Проверка адекватности аналитической модели. Сопоставление расчетных значений с результатами экспериментального исследования по теплоотдаче в трубах с ленточными турбулизаторами
Введение к работе
Теплообменные аппараты нашли широкое применение в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования, в различных тепловых двигателях. С ростом энергетических мощностей увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов. На их производство расходуется огромное количество в том числе и легированных и цветных металлов.
Уменьшение массы и габаритов теплообменных аппаратов является актуальной проблемой. Наиболее перспективный путь решения этой проблемы - интенсификация теплообмена.
Нужно также отметить, что на данный момент, в связи с экологическими требованиями, в холодильной технике остро встала проблема замены наиболее используемых холодильных агентов. Известно, что ряд фреонов (в том числе и широко используемый холодильный агент R22) разрушают озоновый слой земли, что приводит к многочисленным экологическим проблемам. С целью решения данной проблемы на международном уровне было принято решение о постепенном прекращении производства и использования этих холодильных агентов. Сокращение в России производства R22 поставило перед предприятиями, использующими это рабочее вещество, ряд сложных технических задач. Одновременная и быстрая замена парка холодильных машин на новые установки, работающие на новых хладагентах невозможна по экономическим и техническим причинам. Для решения данной проблемы было разработано большое количество новых альтернативных смесевых холодильных агентов, которые позволят доработать свой ресурс эксплуатируемому оборудованию. На сегодняшний день наиболее целесообразным для перевода действующего оборудования на новый хладагент (ретрофит) является фреон R407C, так как он близок R22 по удельной холодопроизводительности, давлению конденсации и не требует значительного изменения в конструкции
холодильной машины, что позволяет избежать удорожания оборудования. Однако, как показывает опыт [1,2], коэффициент теплоотдачи при кипении смесевых рабочих веществ несколько ниже, чем у однокомпонентных хладагентов. Так, в сопоставимых условиях, коэффициент теплоотдачи при внутритрубном кипении озонобезопасного хладагента R407C на 20-30% ниже, чем у R22. Следовательно, при использовании смесевых холодильных агентов возникает потребность в дополнительной интенсификации теплообменник процессов [3].
В настоящее время определяющим фактором совершенства теплообменного оборудования является достижение минимально возможной заправки холодильного агента. Осуществить это можно, в том числе и за счет применения различных методов интенсификации процессов, протекающих в теплообменных аппаратах.
На сегоднящний день большое применение нашли теплообменники с внутритрубным кипением рабочего вещества. К таким аппаратам, в частности, относятся воздухоохладители, кожухотрубные испарители, батареи и т.д. Интенсивность процесса теплоотдачи при кипении в трубах зависит от их размера и удельной тепловой нагрузки, давления, скорости и свойств холодильного агента. При малых нагрузках и скоростях (что характерно для холодильной техники) жидкость, после дросселирования попадает в испаритель, где течет, испаряясь, по дну горизонтальных труб. Такая гидродинамическая картина соответствует расслоенному режиму течения. При этом теплота отводится наименее интенсивно, т.к. площадь поверхности контакта жидкости со стенкой трубы невелика. В том случае, когда наблюдается волновой режим течения, при котором жидкость периодически смачивает верхнюю часть трубы, испаритель работает лучше. Однако и в том и в другом случае можно повысить интенсивность теплообмена, увеличив долю смоченной поверхности.
При создании эффективного теплообменного аппарата необходимо выдержать заданные значения по количеству передаваемой теплоты,
гидравлическому сопротивлению, и, при этом, сделать его как можно более компактным и легким. Выполнить эти противоречивые требования, возможно только используя интенсификацию теплообмена. Следует отметить, что увеличение скорости течения теплоносителя не является оптимальным решением, так как вместе с повышением коэффициента теплоотдачи увеличивается и гидравлическое сопротивление аппарата, причем если теплоотдача растет пропорционально скорости в степени 0.8, то гидравлическое сопротивление - в степени 2, поэтому приходится тратить существенно больше энергии на движение теплоносителя. При использовании оптимального способа интенсификации можно получить больший рост теплоотдачи, при меньшем росте гидравлического сопротивления.
К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена [4]. Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности и поверхности, развитые за счет оребрения; применяется закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал; находит применение подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку газа - твердых частиц или капель жидкости, а также вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсации потока теплоносителя, воздействие на поток электростатических полей. Эффективность этих способов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2-3 раза при существенно различных затратах энергии на прокачку теплоносителей [5].
Нужно отметить, что некоторые из вышеприведенных методов интенсификации теплообменных процессов уже давно и довольно успешно используются для однофазных течений. Так, например, во многих литературных источниках [6,7,8] присутствуют результаты исследований, проведенных с целью изучения влияния турбулизирующих вставок на теплоотдачу при протекании однофазных теплоносителей (растворы СаСЬ,
NaCl, вода, этиленгликоль, воздух и т.д.). Анализ этих данных позволяет сделать вывод, что применение турбулизаторов при определенных условиях может привести к существенному увеличению коэффициента теплоотдачи. Аналогичные данные для двухфазных потоков в литературе практически отсутствуют, несмотря на то, что этот вопрос представляет большой научный интерес.
Распространять результаты, полученные для однофазных потоков, на двухфазные течения было бы неправильно, т.к. процесс кипения в трубе существенно отличается от течения однофазных теплоносителей. Движение двухфазного потока имеет ряд особенностей. Эти особенности связаны, прежде всего, с гидромеханическим взаимодействием фаз между собой и с твердой стенкой и изменениями, вносимыми в гидродинамику потока фазовыми переходами.
Необходимо отметить, что при выборе на практике того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления и сборки теплообменного аппарата, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т. д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора только одного из многочисленных исследованных методов интенсификации.
Привлекательность применения закручивающих устройств связана с их многофункциональностью. В некоторых теплообменных аппаратах завихрители могут быть использованы в качестве турбулизаторов и закручивателей пристенных слоев однофазного теплоносителя. В каналах при сложном характере теплообмена (например, при течении двухфазных потоков) основной эффект влияния закрутки на улучшение теплового режима заключается в выравнивании температурных неоднородностей в азимутальном направлении, что дает возможность обеспечить увеличение коэффициента теплоотдачи а. В этом случае для определения оптимальной
геометрии закручивающих устройств следует использовать критерий, учитывающий влияние завихрителей на рост интенсивности теплообмена и повышение гидродинамического сопротивления.
По современной классификации методов интенсификации теплообмена закрутка потока в каналах, создаваемая с помощью закручивающих устройств, относится к пассивным методам интенсификации, т.е. не требует дополнительного подвода энергии извне. Определение оптимальных геометрических параметров завихрителей связано с выбором критерия эффективности и может быть проведено на основе как теоретического анализа, так и с помощью экспериментов.
По совокупности вышеназванных требований для интенсификации теплоотдачи при течении двухфазных потоков внутри горизонтальных труб в диапазоне изменения режимных параметров, характерных для холодильной техники, был выбран способ с использованием ленточного турбулизатора. Основным его достоинством, является не столько турбулизация пристенного слоя (образование вихрей, увеличение скорости в ламинарном подслое), сколько возможность получения существенного увеличения смоченного периметра в неэффективных, с позиции теплоотдачи, режимах течения (расслоеный, волновой).
Несмотря на то, что данный метод интенсификации известен уже давно, выявлению эффективности интенсификации теплообмена при течении двухфазных потоков не уделялось должного внимания. Большинство исследований, связанных с ленточными турбулизаторами, проведено с однофазными потоками в диапазоне изменения режимных параметров, характерных для высокотемпературных теплоэнергетических установок. Данные по интенсификации теплообмена с помощью ленточных турбулизаторов применительно к холодильной технике в литературе отсутствуют. Поэтому особую актуальность представляет исследование интенсификации теплообмена при течении двухфазных потоков в трубах с турбулизаторами данного типа.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное определение эффективности применения ленточных турбулизаторов для интенсификации теплообмена при течении двухфазного потока холодильного агента в горизонтальных трубах. Задачи исследования:
Разработать аналитическую модель течения двухфазного закрученного потока.
Получить новые экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи и гидравлическому сопротивлению при кипении в трубе озонобезопасного холодильного агента R407C (смесь фторсодержащих углеводородов R32/125/134a) в диапазоне изменения режимных параметров, характерных для холодильной техники и систем кондиционирования.
Получить зависимости, обобщающие экспериментальные данные.
Выявить оптимальные параметры ленточных турбулизаторов для обеспечения максимальной эффективности их применения.
Уточнить инженерную методику расчета испарителей с кипением холодильного агента внутри труб с ленточными турбулизаторами.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Разработана аналитическая модель течения двухфазного закрученного потока для определения доли смоченной поверхности и интенсивности теплообмена.
Впервые экспериментально изучено влияние закрутки потока на теплообмен и гидродинамику при парообразовании для различных режимов течения неазетропного холодильного агента R407C внутри труб.
Предложены новые зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления, позволяющие выявить влияние конструктивных и режимных параметров на эффективность интенсификации теплообмена.
Впервые установлена зависимость тепловых и гидравлических
характеристик двухфазного закрученного потока от режимных параметров и геометрии ленточных турбулизаторов и выявлены области наиболее эффективного их применения.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
Разработанная аналитическая модель течения двухфазного закрученного потока позволяет определять распределение фаз по сечению при внутритрубном кипении в диапазоне изменения режимных параметров, характерных для холодильной техники и систем кондиционирования воздуха.
Полученные обобщенные и экспериментально подтвержденные зависимости для определения теплогидравлических характеристик труб с ленточными турбулизаторами при течении двухфазного потока могут быть использованы для проектирования как новых теплообменных аппаратов, так и для модернизации существующего оборудования.
Предложенный способ и устройство для изготовления ленточных турбулизаторов заданных параметров позволят сервисным организациям осуществлять перевод действующих аппаратов на холодильный агент R407C без существенных затрат и ухудшения эксплуатационных характеристик оборудования.
Уточненная методика расчета испарителя с кипением холодильного агента внутри труб с ленточными турбулизаторами может быть использована в различных организациях при проектировании современных компактных теплообменников, работающих на смесевых холодильных агентах.
Автор защищает:
Аналитическую модель течения двухфазного закрученного потока.
Результаты экспериментальных исследований теплоотдачи и гидравлического сопротивления при течении двухфазного потока холодильного агента R407C внутри труб с ленточными турбулизаторами.
Полученные расчетные зависимости для определения влияния режимных параметров и геометрии ленточных турбулизаторов на
теплообмен и гидравлическое сопротивление внутри труб.
- Критериальные зависимости для расчета теплообменных и гидравлических характеристик течения двухфазного закрученного потока, полученные на основе обобщения собственных опытных данных и результатов исследований других авторов.
Реализация результатов исследований.
Некоторые результаты работы использованы в производственном и учебном процессах: разработаны два методических пособия по курсу «Термодинамика и тепломассообмен» и подана заявка на патент на изобретение «Теплообменная труба» (per. №2007101062 от 09.01.07г.). Использование результатов работы в виде методик изготовления ленточных турбулизаторов, критериальных зависимостей по расчету коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а также практических рекомендаций по эффективному использованию ленточных турбулизаторов на предприятиях «АстраханьНИПИгаз», ООО «Базис» и ООО «Компас» подтверждается соответствующими актами внедрения.
Результаты данной работы докладывались на:
1.Международной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», - АГТУ, Астрахань - 2004 г.
2. IV Международной научно-технической конференции, Вологда-2004г.
3.V Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск - 2004 г.
4.XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, посвященном 90-летию С.С.Кутателадзе, Новосибирск - 2004 г.
5.V Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки. Естественные науки», Самара -2004г.
6.V Казахстанско-Российской международной научно-практической конференции «Применение новых информационных технологий в нефтегазовой промышленности», Атырау - 2005 г.
7.51-й научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава АГТУ (19 апреля 2006г.)
8.Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ-2006», Казань, 2006.
9.Конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные решения молодых в освоении Астраханского газоконденсатного месторождения», Астрахань, 2006 г.
По результатам диссертации опубликованы 11 научных работ, в том числе 2 по перечню ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично либо в соавторстве с научным руководителем, в том числе: анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований по интенсификации процесса кипения внутри труб, постановка цели и задач исследования, разработка аналитической модели течения двухфазного закрученного потока, разработка и изготовление экспериментального стенда и методики проведения экспериментов, проведение экспериментальных исследований теплообмена и гидродинамики при кипении холодильного агента R407C внутри трубы с ленточными турбулизаторами, обработка и обобщение экспериментальных данных и разработка практических рекомендаций по использованию результатов работы.
Диссертация состоит из 6-й глав, введения, выводов и семи приложений. Во «Введении» обсуждается актуальность темы диссертации. В главе 1 рассмотрены особенности процесса внутритрубного кипения, современные методы интенсификации теплообмена и проведен анализ их эффективности и применимости. В главе 2 приведена физическая модель и результаты аналитического исследования течения двухфазного потока внутри трубы с ленточным турбулизатором. В главе 3 описаны методики проведения эксперимента и экспериментальные стенды, схема измерений, а также проведена оценка погрешностей эксперимента. В главе 4 приведены
полученные опытные данные и результаты их обработки. Проведен анализ и обобщение данных, полученных автором, а также данных из других работ, посвященных изучению труб с ленточными турбулизаторами. Показано влияние геометрических параметров турбулизатора на эффективность теплообменного аппарата. В главе 5 представлены расчетные зависимости для определения теплоотдачи и гидравлического сопротивления внутри труб с закруткой потока. Проверена адекватность аналитической модели. В главе 6 представлены практические рекомендации по использованию результатов работы и предложена методика расчета испарителя с кипением холодильного агента внутри труб с ленточными турбулизаторами. В разделе «Выводы» приведены выводы к работе. В приложениях к диссертации представлены экспериментальные данные в табличной форме, результаты визуальных наблюдений, установки для изготовления ленточных турбулизаторов заданного шага и примеры расчетов интенсифицированного и гладкотрубного испарителя.
Интенсификация теплообмена при закрутке потока в трубах с помощью ленточных турбулизаторов
В настоящее время количество аппаратов, работающих с кипением ХА внутри труб, достаточно велико. Обзор такого оборудования дан в работах [9,10].
Наиболее распространенными примерами таких аппаратов являются скороморозильные аппараты, кожухотрубные испарители с внутриканальным кипением и воздухоохладители.
Важным качеством кожухотрубных испарителей с внутритрубным кипением (преимущественно фреоновых) является малый объем полости по холодильному агенту, который обычно совершает двухходовое движение в каналах пучка. В качестве активной поверхности в испарителе используются медные трубы диаметром 20x1,5мм с алюминиевым сердечником в виде десятиконечной звезды, интенсифицирующей теплоотдачу на стороне ХА.
Массовая скорость протекания ХА в таких аппаратах не должна быть меньше 50-f60 кг/(м -с). В ряде случаев испаритель может иметь и один ход по ХА, но в обоих вариантах должно соблюдаться условие полного выкипания рабочего вещества.
Что касается воздухоохладителей, то в зависимости от типа холодильной машины применяются стальные или медные трубы диаметром 12x1,14x1,16x1мм., а массовая скорость хладагента при течении его в трубах находится в пределах 50 кг/(м -с).
Отличительной особенностью работы воздухоохладителей (а также других аппаратов с внутритрубным кипением) является наличие, меняющейся по ходу движения рабочего вещества, гидродинамической картины. Режим течения определяет интенсивность теплообмена и гидравлическое сопротивление. В соответствии с результатами работы [И] по исследованию течения двухфазных потоков в горизонтальных трубах можно отметить следующие основные режимы паро-жидкостных потоков: 1) пузырьковая структура: пар движется в виде множеством мелких пузырьков по верхней образующей трубы; 2) снарядная (пробковая), характеризующаяся чередованием жидкостных и паровых пробок различных размеров; 3) расслоенная (разделенная), характеризующаяся послойными движениями пара и жидкости с четкой гладкой или волнистой поверхностью раздела; 4) кольцевая (пленочная, пленочно-дисперсная), характеризующаяся течением основной массы жидкости в виде жидкостного кольца, внутри которого с высокой скоростью движется паровое ядро со взвесью. Кроме перечисленных, авторы отмечают существование волнового и серповидного видов течения, которые являются переходными формами от снарядного к расслоенному и от расслоенного к кольцевому режимам соответственно.
Наумовым К.А. была проведена работа по определению режимов течения и тепловых характеристик процесса кипения R12 и смеси R12 с маслом ХФ 12-16 внутри горизонтальных труб [12]. Целью работы являлось получение экспериментальных данных и расчетных зависимостей для локальных тепловых характеристик процесса кипения чистого хладагента R12 и смеси R12 с маслом ХФ-12-16 при вынужденном движении в гладких горизонтальных трубах, прогнозирование значений коэффициентов теплоотдачи при кипении перспективных экологически чистых хладагентов, альтернативных R12, в гладких горизонтальных трубах и разработка методики расчета теплоотдачи в теплообменных аппаратах холодильных установок.
Эксперименты проводились с хладагентом R12 и смесью R12 с маслом ХФ 12-16 при массовых концентрациях масла в хладагенте 0...7 %, температурах кипения -20...20 С, плотностях теплового потока q = 1...10 кВт/м, массовых скоростях 25-100 кг/(м -с), массовых расходных паросодержаниях х = 0.01-0.95.
В исследованном диапазоне изменения режимных параметров были выделены следующие режимы течения: расслоенный, волновой, расслоено -серповидный, переходный, кольцевой.
Анализ подученных данных подтвердил существование представления о характере влияния скорости циркуляции и давления насыщения на изменение границ течения. С ростом давления насыщения и уменьшением скорости циркуляции было отмечено смещение границ режимов течения в сторону больших значений. В горизонтальных трубах диаметром 10 мм и более при скоростях циркуляции 100 кг/(м -с) наблюдаются, в основном, раздельные режимы течения (расслоенный, волновой, расслоено серповидный, переходный) двухфазного потока хладагента, когда верхняя часть внутренней поверхности трубы контактирует с потоком пара, а в нижней её части движется ручьем кипящий хладагент. При этом из-за резкого различия в интенсивности теплоотдачи в верхней и нижней частях трубы возникают температурные напряжения по её периметру. В результате наблюдаются перетечки теплоты из верхней части трубы в нижнюю, величина которых зависит от доли поверхности трубы, омываемой паром, теплопроводности материала трубы, её толщины, распределения коэффициентов теплоотдачи по периметру трубы как со стороны кипящего хладагента, так и со стороны хладоносителя.
По мере перехода расслоенного режима течения в полукольцевой этот эффект постепенно ослабевает, а для кольцевого режима течения его воздействием можно пренебречь.
Изменение интенсивности перетечек теплоты, связанное с изменением теплофизических свойств материала стенки трубы или её толщины, приводят к перераспределению плотности теплового потока по периметру трубы, что, в свою очередь, влияет на значение среднего по периметру коэффициента теплоотдачи.
Для обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче при снарядном и серповидном режимах течения в работе [11] было использовано уравнение С.С. Кутателадзе:
Обработка экспериментальных данных при волновом и расслоенном режимах производилась по интерполяционному методу с учетом того, что часть сечения трубы, омываемая жидкостью, уменьшается с ростом истинного объемного паросодержания у,:
Экспериментальный стенд для исследования интенсивности теплообмена и падения давления при кипении холодильного агента R407C внутри трубы с ленточными турбулизаторами
Также подробно рассмотрен метод интенсификации внутритрубного кипения хладагентов с помощью спиральных проволочных турбулизаторов. Этот метод привлекает простотой своего выполнения в условиях эксплуатации. Так, при использовании в трубе с ёвн=13,9мм, где кипел R12, спирали из бронзовой проволоки диаметром 0,8мм и шагом 19мм, были получены коэффициенты теплоотдачи на 40% выше, чем в гладкой трубе, но на 40% ниже чем в трубе со звездообразными вставками.
Другим методом интенсификации теплообмена при кипении фреонов в трубах является повышение массовой скорости. Возможно даже превышение её оптимальных значений при условии создания соответствующей схемы циркуляции хладагента.
К методам интенсификации теплоотдачи при кипении в трубах можно отнести создание кольцевого и волнового - кольцевого режимов течения кипящего потока. Теплоотдача кипящих R12 и R22 при таких режимах увеличивается примерно в 1,5ч-2 раза по сравнению с расслоенным и снарядным течениями. Практическая реализация эффективных режимов течения возможна путем уменьшения диаметра трубы, подачи на вход в испаритель влажного пара с Хі=0,05ч-0Л, увеличения скорости циркуляции. Однако при этом возрастает потеря давления и перепады температур по длине трубы. Поэтому их реализации должен предшествовать технико-экономический анализ, подтверждающий целесообразность метода.
Анализ работы испарителей с внутритрубным кипением холодильного агента, проведенный в работе [31], показывает, что объектом интенсификации теплопередачи должны быть условия теплообмена на стороне хладагента. Интенсификация теплоотдачи на стороне хладагента (при кипении его в трубах) может быть осуществлена с помощью следующих мероприятий: 1) увеличение массовой скорости вплоть до оптимальной величины, определяемой технико-экономическим или энергетическим методом; 2) повышение начального паросодержания в целях перевода потока хладагента уже на начальном участке трубы в кольцевой режим, более выгодный с точки зрения теплоотдачи; 3) изменения конфигурации теплопередающей поверхности с помощью турбулизаторов, внутреннего оребрения, путем создания искусственной шероховатости.
Сопоставление всех вышеперечисленных видов интенсификации выявило преимущество применения звездообразных вставок и труб с внутренним оребрением. Перспективным методом интенсификации является применение капиллярно-пористых поверхностей.
Однако был признан тот факт, что универсального метода, который бы решал все проблемы при кипении холодильного агента внутри труб, не существует. Так, например, использование в качестве интенсификаторов теплообмена проволочных (спиральных) турбулизаторов рекомендуется для эксплуатации, так как они имеют невысокую стоимость и их очень просто установить в уже работающих испарителях с кипением фреона в гладких трубах, хотя эффект от них меньше, чем от внутреннего оребрения.
Существенное внимание интенсификации теплообмена при однофазном течении теплоносителя уделено в работе [20]. Анализ результатов экспериментальных исследований теплоотдачи в трубах с различными видами шероховатостей, типа «резьбы», которые наносились на внутреннюю поверхность круглой трубы, показал, что для такого типа интенсификации решающее значение имеет отношение расстояния между выступами S к их высоте h: S/h. Остальные характеристики, такие как форма выступа (прямоугольная или треугольная), отношение h/d, имеют второстепенное значение. При этом высота выступов h должна превышать толщину вязкого подслоя. Причина интенсификации теплообмена в этом случае связана со срывом и разрушением вязкого подслоя выступами шероховатости и возникновением вихревых зон. Оказывается, что для параметра s/h существует оптимальное значение, при котором и интенсификация теплоотдачи максимальна. Полученные экспериментальные данные были обобщены уравнением, представляющим собой формулу Михеева с введением поправочного коэффициента:
при любом значении Ргж в интервале от 0,7 до 80. Приведенное соотношение справедливо при s/h 6 в диапазоне чисел Кеж от 6-10 до 4-10 .
Как показывают эксперименты в некоторых случаях в качестве интенсификаторов целесообразно использовать поверхности с капиллярно-пористыми покрытиями. Авторами работы [31] приводятся результаты экспериментального исследования интенсивности теплообмена при течении двухфазного потока, где в качестве капиллярно-пористой структуры использовалась фильтровальная сетка. Сетка плотно прижималась к внутренней поверхности трубы. Механизм воздействия пористой структуры на значение граничного паросодержания и плотность критического теплового потока объясняется авторами изменением характера массообмена между ядром потока и жидкой пленкой. Пористое покрытие препятствует уносу жидкости с поверхности пленки и в то же время удерживает капли жидкости, выпадающие из ядра потока. Кроме того, пористая поверхность способствует повышению турбулентности потока и увеличению интенсивности переноса капель к стенке. Эксперименты проводились с кипением воды в диапазоне изменения режимных параметров: массовая скорость- 1000ч-2000кг/м2-с; давление 6,86-ИЗ,73МПа.
Результаты исследования показывают, что целесообразность применения капиллярно-пористых поверхностей более обоснована в области высоких значений шр, т.к. а этом случае отношения аинт/ агл максимальны.
В работе [32] изучены различные аспекты теплоотдачи и падения давления в теплообменниках, усовершенствованных в соответствии с минимизацией заправки хладагента. Основное внимание уделено двухфазному потоку в каналах с диаметром между 0,5 до Змм. Был сделан вывод, что механизм теплообмена в этом случае отличается от особенностей кипения хладагента в трубах большего диаметра и, следовательно, многие известные зависимости для теплоотдачи и падения давления неприменимы для труб малого диаметра. Поэтому были предложены специально выведенные зависимости для кипения и конденсации в узких трубах.
Влияние режимных и геометрических параметров на падение давления в трубе
Кризис кипения не происходит до тех пор, пока тот или иной механизм обеспечивает сохранение жидкости (жидкой «макропленки») на обогреваемой стенке. В условиях однородного обогрева в закрученных высокоскоростных потоках в качестве таких механизмов выступают отвод пара от стенки за счет массовых (центробежных) сил и отвод тепла от поверхности пузырькового слоя на стенке к ядру недогретой жидкости.
Методика проведения и результаты экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена в недогретом закрученном потоке воды при одностороннем нагреве коротких каналов представлены в работе [56]. Акцент в работе был сделан на исследование влияния на потери давления и коэффициенты теплоотдачи в режимах однофазной конвекции и кипения следующих факторов: шага скрученной ленты (для закрутки потока использовались ленты с шагом 28; 38; 64; 98мм и прямая лента, соответствующие коэффициенты закрутки s/d=3,5; 4,76; 8,0; 12,26 и ос); неизотермичности канала охлаждения вследствие одностороннего нагрева; - недогрева теплоносителя до температуры насыщения. При коэффициенте закрутки s/d 0,8 гидравлическое сопротивление трубы не зависит от шага закрутки. Установлен существенный рост локального коэффициента теплоотдачи с увеличением закрутки ленты. Причем, на основании полученных данных можно сделать вывод об опережающем росте эффективности теплообмена по сравнению с ростом потерь давления для лент с коэффициентом закрутки до s/d=8. Экспериментальные результаты по гидросопротивлению и приведенной теплоотдаче апр при одностороннем нагреве медных трубок, в которые с целью интенсификации теплоотдачи вставлены спиральные ленты с относительным шагом d/(2s) 0,015-=-0,115, получены в работе [57]. В результате экспериментального исследования было выявлено, что наибольшее влияние ленточных турбулизаторов на сопротивление и теплоотдачу наблюдается в области чисел Re=3 00+8000 с достижением максимума при Re=1000. Например, при d/(2s)=0,l 15 теплоотдача возрастает в 2 раза при одновременном росте сопротивления в 2,3 раза. Проведенное исследование интенсификации теплоотдачи при течении вязких жидкостей посредством ленточных вставок показало, что на критерий Nu и коэффициент трения f сильно влияют геометрия ленты и условия движения потока жидкости [58]. Функционально это представлено в виде: В данной работе были исследованы внутренние потоки в горизонтальных трубах с постоянной температурой стенки. Это является типичным случаем, с которым приходится сталкиваться на практике в химической и перерабатывающей промышленности. Экспериментальные данные были получены для воды и этиленгликоля при использовании ленточных вставок со следующими геометрическими параметрами: s/d=3,0; 4,5; и 6,0; толщина ленты в каждом случае была равной 0,483 мм. Данные охватывают широкий диапазон параметров потока: 3,5 Рг 100 и 300 Re 35000 в условиях как нагрева, так и охлаждения.
Как уже отмечалось ранее, работы посвященные исследованию влияния закрутки на теплообмен при течении двухфазных потоков весьма немногочисленны. Одной из таких работ является [47], в которой представлены результаты экспериментального изучения температурного поля в горизонтальной трубе со шнековыми турбулизаторами при течении хлад она R12, а также стенд, на котором данные исследования были проведены. Экспериментальные участки представляли собой круглые трубы из нержавеющей стали с внутренним диаметром 10 мм и наружным 12,94 мм. Длины труб составляли 2,1 м. Теплоподвод осуществлялся за счет пропускания по трубам переменного тока. Были использованы 4 шнека с различными шагами. Температура измерялась по верхней, боковой и нижней образующим труб с помощью медно-константановых термопар. В результате исследования авторами работы были сделаны следующие выводы: 1) на всех образующих профили температур изменяются случайным образом как для труб с турбулизаторами так и без них; 2) профили температур пересекают друг друга, указывая на кольцевой режим течения и нестабильность жидкой пленки труб; 3) характер жидкой пленки на стенке труб зависит при применении турбулизаторов от комбинации теплового потока, массовой скорости, шага шнека и паросодержания. Малые шаги шнеков обеспечивают лучшую однородность температурных профилей при малых паросодержаниях. При больших паросодержаниях даже использование турбулизаторов большого шага обеспечивает такую однородность.
При экспериментальном изучении теплообмена и трения воздуха и воды, протекающих через трубу с различными видами вставок, которые предназначены для создания закрутки потока [59], было замечено, что коэффициенты теплоотдачи в закрученном потоке, при благоприятных условиях, могут быть, по крайней мере, в 4 раза выше, чем коэффициенты теплоотдачи в гладкой трубе при том же массовом расходе. Выявлено также, что повышение коэффициента теплоотдачи зависит от степени закрутки и плотности теплового потока. Наблюдаемые явления качественно проанализированы, и доказано, что они являются прежде всего результатами центробежной силы, которая вызывает радиальное движение теплой жидкости внутрь и радиальное движение холодной жидкости наружу.
Проверка адекватности аналитической модели. Сопоставление расчетных значений с результатами экспериментального исследования по теплоотдаче в трубах с ленточными турбулизаторами
Режимы течения в трубе, которые определялись массовым паросодержанием х и массовой скоростью юр, создавались путем изменения количества подаваемой жидкости (вода) и газа (воздух). Подача воздуха в стенд осуществляется через трехходовой вентиль (1) при помощи воздушного компрессора двухступенчатого сжатия (марка MIDCO С06010), снабженного ресивером объемом 0,5 м . В воздушном ресивере с помощью реле давления поддерживается постоянное давление, которое составляет 8 кгс/см. Он соединен с экспериментальным стендом посредством армированного резинового шланга. Вода, проходящая через регулирующий вентиль (1) и запорный вентиль, попадает в смесительное устройство, в котором происходит ее смешение с воздухом. Далее эта водовоздушная смесь проходит через первую стеклянную трубку, синхронно-закрывающийся вентиль 4 и поступает в стальную трубу 5, длина которой составляет 0,8м, а внутренний диаметр 12 мм. Первая по ходу движения исследуемой среды стеклянная трубка служит для стабилизации течения двухфазного потока (длина стабилизационного участка равнялась 70мм, что более 50 диаметров трубы, необходимых для стабилизации потока). Во второй стеклянной трубке размещается турбулизатор для визуального наблюдения за гидродинамикой двухфазного потока при использовании ленточного турбулизатора. Между трубками предусмотрено разъемное соединение для возможности вставки турбулизатора, а на входе в стальную трубку устанавливается шприц для 9 для подкрашивания потока специальной красящей жидкостью с целью проведения качественных визуальных наблюдений. Синхронно-закрывающиеся вентили 4, установленные по обе стороны экспериментального участка, служат для отсечения его от остальной части стенда и определения истинного объемного паросодержания.
Дифференциальный манометр (10) состоит из двух стеклянных трубок, с внутренним диаметром 7 мм, и резинового шланга, соединяющего их сверху. Для подсоединения дифференциального манометра на входе и выходе стальной трубы установлены тройники (8). Высота дифференциального манометра составляет 1,5 м, а цена деления 1 мм. Слив водовоздушнои смеси со стенда осуществляется в канализацию. В процессе эксперимента дополнительно используется персональный компьютер, веб-камера, фотоаппарат и секундомер.
Эксперимент проводится по следующей методике. Осуществляется подача воды в стенд путем полного открытия запорного вентиля (1) и неполного - регулирующего вентиля. С помощью регулирующего вентиля добивается нужный расход воды, который измеряется объемным способом при помощи мерного бака (12) и секундомера. Затем открываются вентили (1) подачи воздуха в стенд до достижения требуемого режима течения, после чего снимаются показания дифференциального манометра, термопар и производятся визуальные наблюдения за характером движения двухфазного потока.
В процессе эксперимента производили следующие измерения: температуры потока и стенки трубы (посредством термопар и измерительного комплекса Hewlett Packard НР34970А), тепловая нагрузка (измерительным комплексом К-505), расход воды (с помощью мерного бака, расположенного на выходе из трубы) и расход воздуха (газовым счетчиком), падение давления АР (водяным дифманометром, подводящие патрубки которого подсоединялись на входе и выходе из экспериментального участка), объемное паросодержание 3. Параметр Р измеряли по методике, изложенной в работе [87], следующим образом: при достижении стабилизации движения потока производили одновременне отсекание трубки (5) от остального контура запорными вентилями (4) на входе и выходе при закрытых вентилях (8) на дифманометре. Затем перекрывали вентиль (2) по воде, открывали запорные вентили (18) на входе и выходе, а воду, находящуюся в экспериментальном участке, выдавливали сжатым воздухом в мерный бак (12). Объем слитой жидкости Уж сопоставляли с объемом трубки Уф, а разность соответствовала объему воздуха:
При этом объемное паросодержание рассчитывали как: где Vn - объем пара в трубе, мл; Уф - объем трубки, мл.
Подбирая соответствующие соотношения расходов воды и воздуха, добивались стационарной гидравлической картины различных режимов течения двухфазного потока (снарядного, волнового, расслоенного, серповидного и кольцевого) и производили измерение падения давления на экспериментальном участке, температуры и истинного объемного паросодержания.
Основным геометрическим параметром ленточных турбулизаторов является шаг винта s (или относительная степень закрутки ленты d/s). В работе толщина ленты составляла 8=0,5 мм, а степень закрутки винта d/s =0,126; 0,075; 0,054. Эксперименты проводили в следующем диапазоне изменения режимных параметров: давление в стенде Р=1кгс/см ; температура водовоздушного потока Т=289-г343К; плотность теплового потока q=5-rl3 кВт/м , массовая скорость парожидкостной смеси шр=33-И 11 кг/(м -с), истинное объемное паросодержание ф=0-г0,9.
Нужно отметить, что ленточный турбулизатор вставлялся как в стальную трубу для определения локальных тепловых характеристик процесса, так и в стеклянную - для проведения визуальных наблюдений. Полученные в результате эксперимента данные были обработаны и представлены в виде графических зависимостей падения давления AP=f(cop,d/s, ф) и коэффициента теплоотдачи a=f((p, q, сор, d/s).
В результате проведения визуальных наблюдений были отмечены следующие режимы течения двухфазного потока: снарядный, волновой, расслоенный, серповидный и кольцевой. При изменении режимных параметров течения водовоздушнои смеси внутри горизонтальной трубы происходит смена гидродинамической картины, подобная той, которая наблюдается при кипении холодильных агентов в испарителях холодильных машин.
