Введение к работе
Диссертационная работа посвящена изучению особенностей процессов при кипении хладагента R134a в микроканале гидравлическим диаметром 538 мкм, исследованиям характеристик теплообмена, падения давления и неустойчивостей при движении двухфазного потока R134a в микроканалах.
Актуальность работы. Основным трендом развития техники низких температур является повышение энергетической эффективности и снижение воздействия на окружающую среду. Эти показатели, в частности, могут быть достигнуты интенсификацией теплообмена в аппаратах и снижением объема заправки рабочего вещества в систему. Как известно, около 60% хладагента в холодильном цикле сконцентрировано в теплообменных аппаратах, именно поэтому повышение компактности теплообменников одновременно с увеличением теплообменной поверхности и интенсификацией тепломассопереноса является одной из актуальнейших задач в холодильной технике.
Безусловными преимуществами теплообменников с малыми каналами, по сравнению с традиционными теплообменниками с "макроканалами", являются большая компактность за счет значительного увеличения поверхности теплообмена на единицу объема, способность выдерживать высокие рабочие давления, меньшая материалоемкость, меньший объем заправки рабочего вещества, а так же более высокие показатели коэффициента теплоотдачи при одинаковых условиях.
Хладагент R134a является озонобезопасным, стандартным и наиболее распространенным рабочим веществом для коммерческого и бытового холодильного оборудования и, согласно Киотскому протоколу, разрешен к использованию до 2030-го года. Таким образом, хладагент R134a относится к перспективным рабочим веществам для исследования в микроканальных теплообменниках нового поколения.
Подробное изучение теплообменников с малыми каналами началось в 1990-х годах и с каждым годом количество как экспериментальных, так и теоретических работ в этой области неукоснительно растет. Сложный процесс кипения в микроканалах ранее рассматривался в основном только как метод охлаждения в микроэлектронике, в криогенной технике и в малых топливных системах. Изучение возможности применения микроканалов в области умеренного холода и в кондиционировании стало актуальным направлением в последние годы.
Задача оптимального выбора размера микроканала, который может обеспечить оптимальные соотношения между эффективностью теплообмена и гидравлическими потерями в области эксплуатации промышленного холодильного оборудования, а так же разработка расчетных соотношений по теплообмену в таких каналах являются открытыми задачами в теплофизике. При этом анализ теплообменных показателей необходимо рассматривать с учетом возможных неустойчивых процессов, которые могут возникнуть во время эксплуатации оборудования.
Таким образом, изучение особенностей процесса кипения хладагентов в микроканалах и разработка инженерных методик для расчёта теплоотдачи и гидравлического сопротивления являются важными и необходимыми условиями для создания микроканальных испарителей и их внедрения в промышленность. Это обусловливает актуальность данной работы.
Целью работы является изучение особенностей динамики двухфазного потока и кипения хладагента R134a в микроканале размером порядка 500 мкм, анализ зависимостей неустойчивостей, интенсивности теплообмена и градиента давления от параметров процесса, определение области устойчивой работы микроканального испарителя.
Задачи исследования: В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Проведение экспериментальных исследований по изучению характеристик теплообмена, потерь давления и неустойчивостей в микроканале;
-
Определение карты режимов кипения хладагента;
-
Исследование экспериментальных зависимостей коэффициента теплоотдачи и градиента давления от параметров процесса кипения;
-
Сравнение экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи с расчетными данными по существующим аналитическим и полуэмпирическим методикам;
-
Разработка соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи, применимого для условий работы испарителей холодильных машин;
-
Сравнение экспериментальных значений градиента давления с рассчитанными данными по существующим методикам, анализ применимости методик;
-
Исследование неустойчивостей при кипении хладагента в микроканале, определение типов неустойчивостей и объяснение причин их вызывающих:
-
Определение областей устойчивого процесса кипения в микроканале. Основные положения, выносимые автором на защиту:
-
Результаты анализа режимов кипения хладагента R134a в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;
-
Расчётные зависимости по определению коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента R134a в микроканалах гидравлическим диаметром порядка 500 мкм в области паросодержаний 0...0,5, в диапазоне массового расхода 0...700 кг/(м с) и в диапазоне температур насыщения хладагента -5....+30С:
-
Результаты анализа сравнения расчетных методик по определению градиента давления при кипении хладагента R134a в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;
-
Результаты исследования неустойчивостей и определение области устойчивого кипения хладгента R134a в прямоугольном микроканале порядка 500 мкм.
Научная новизна: Получены новые экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи и потерям давления при кипении хладагента R134a в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром (Dh) 538 мкм, в диапазоне массовых расходов 105... 634 кг/(м с) и в диапазоне массовых паросодержаний 0...0,5. По результатам обработки экспериментальных данных предложены новые расчетные соотношения для определения коэффициента теплоотдачи, рекомендуемые для расчетов испарителей на R134a с микроканалами Dh порядка 500 мкм.
На основе анализа результатов экспериментальных исследований даны рекомендации по расчету градиента давления в микроканалах с Dh ~ 500 мкм.
Определена область устойчивого кипения R134a в микроканалах с D|,~ 500 мкм на основании исследования неустойчивостей в виде периодически возникающих колебаний давления, массового расхода, температуры и реверса потока.
Практическая ценность: Научные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Ядерная энергетика и теплофизика», «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» в Институте холода и биотехнологий НИУ ИТМО. Полученные экспериментальные данные и предложенные зависимости рекомендованы для проектирования компактных микроканальных испарителей для R134a.
Личный вклад автора: проектирование и сборка экспериментального стенда, разработка методики проведения эксперимента, проведение экспериментов, анализ полученных данных и разработка расчетных соотношений.
Апробация работы и публикации: Материалы по теме диссертационной работы изложены в 4 печатных трудах, 3 из них опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Основные результаты данной работы докладывались на международных научных конференциях и семинарах в Университете Штата Иллинойс в Урбане-Шампейн (США) (2012, 2013 г.), на ежегодных конференциях научно-педагогических работников СПГУНиПТ и НИУ ИТМО (2011-2013 гг.) и на VI Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» в НИУ ИТМО (2013 г).
Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, приложения, списка литературы и содержит 121 страниц машинописного текста, 19 страниц приложений, 56 рисунков, 11 таблиц и 58 формул. Список литературы включает 125 наименования, в том числе зарубежных авторов 88.
Похожие диссертации на Закономерности динамики двухфазных потоков и теплообмена при кипении хладагента R134a в микроканалах
