CC BY
69
УДК 538.244:532.539.5
В. Г. Букин, А. Ю. Кузьмин, Ю. В. Минеев Астраханский государственный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ ТУРБУЛИЗАТОРОВ ПРИ КИПЕНИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫК ХОЛОДИЛЬНЫ1Х АГЕНТОВ В ГОРИЗОНТ АЛЬНЫ1Х ТРУБАХ
Для обеспечения высокой теплоэнергетической эффективности и надежности работы энергетических установок, теплообменных аппаратов и другого теплоэнергетического оборудования весьма перспективным является использование закручивающих устройств: локальных, непрерывных или периодически расположенных завихрителей, винтового оребре-ния, спиральных накаток, проволочных навивок и др.
Наибольший интерес при рассмотрении закрученного неизотермичного двухфазного потока представляет режим течения. Режим течения во многом определяет интенсивность теплообмена и гидродинамическое сопротивление. При движении внутри горизонтальной трубы с ленточным завихрителем течение двухфазного потока имеет очень сложный характер, т. к. режим течения в общепринятом понимании как таковой отсутствует. При этом наибольшее значение приобретает характер распределения фаз по сечению, что и будет определять теплообмен в трубе.
В соответствии с результатами многочисленных работ по исследованию течения двухфазных потоков в горизонтальных трубах можно отметить следующие основные структуры газожидкостных потоков:
а) расслоенная (разделенная), характеризующаяся послойными движениями газа и жидкости с четкой гладкой или волнистой поверхностью раздела;
б) кольцевая (пленочная, пленочно-дисперсная), характеризующаяся течением основной массы жидкости по внутреннему периметру трубы в виде жидкостного кольца, внутри которого с высокой скоростью движется газовое ядро со взвесью;
в) снарядная (пробковая), характеризующаяся чередованием жидкостных и газовых пробок различных размеров;
г) пузырьковая структура: газ движется в виде множества мелких пузырьков по верхней образующей трубы.
Кроме перечисленных, отмечено также существование волнового и серповидного видов течения, которые являются переходными формами от снарядного к расслоеному и от волнового к кольцевому режимам соответственно.
Анализ [1] показал, что в реальных теплообменных аппаратах с кипением холодильных агентов в горизонтальных гладких трубах наиболее характерным режимом течения является расслоенный. Однако при расслоенном режиме течения имеет место сравнительно небольшая интенсив-
ность теплоотдачи за счет малой площади контакта жидкости с внутренней поверхностью трубы. Остальные режимы течения (снарядный, волновой, серповидный, кольцевой) характеризуются более высокими коэффициентами теплоотдачи. В связи с этим наиболее актуальной задачей в настоящее время представляется интенсификация теплообмена именно в расслоенном режиме течения. При этом выбор метода интенсификации необходимо производить таким образом, чтобы он позволил существенно увеличить долю смоченной поверхности при сравнительно небольшом увеличении гидродинамического сопротивления.
Всесторонний анализ существующих методов интенсификации [2] выявил, что наиболее подходящим способом, позволяющим решить вышеперечисленные задачи, является применение ленточных турбулизато-ров. Основным их достоинством является не столько турбулизация пристенного слоя (образование вихрей, увеличение скорости в ламинарном подслое), сколько существенное увеличение смоченного периметра трубы, что приводит к изменению распределения фаз по сечению.
Номер сечения по длине трубы
Рис. 1. График зависимости отношения критерия Нуссельта для интенсифицированной трубы к критерию Нуссельта для гладкой (№инт/№гл) по длине трубы при различной степени закрутки d/s ленточного турбулизатора (Р0 = 0,2247 МПа; юр = 74 кг/(м2-с); q = 1,51 кВт/м2)
Для исследования эффективности применения ленточных турбули-заторов с различными геометрическими характеристиками был произведен ряд экспериментов с кипением смесевого холодильного агента Я407С внутри горизонтальной трубы с интенсификатором. Экспериментальные данные были обработаны, а полученные графические зависимости позволяют оценить степень влияния геометрии ленточного турбулизатора на гидродинамику и теплообменные характеристики двухфазного потока. В качестве определяющего параметра интенсифицирующей вставки принято отношение ширины ленты (или внутреннего диаметра трубы с!) к шагу турбулизатора 5.
Степень закрутки d /s
Рис. 2. График зависимости отношения Е, = (Киинт/Мигл)/(АРинт/АРгл) от степени закрутки d/s ленточного турбулизатора при снарядном режиме течения на входном участке (Р0 = 0,2247 МПа; юр - массовая скорость, кг/(м2 с); q - тепловой поток, кВт/м2)
На рис. 1 представлен график зависимости относительного увеличения интенсивности теплоотдачи (NuraiyNura) кипящего потока смеси по длине трубы при различной степени закрутки d/s ленточного турбулизатора. Нужно отметить, что границы режимов течения на рисунке проставлены для неинтенсифицированного двухфазного потока (d/s = 0). Из графика на рис. 1 видно, что при наличии в трубе режимов течения, которые обеспечивают хорошую смачиваемость внутренней поверхности (снарядный и начало волнового), применение рассмотренных в экспериментах ленточных турбулизаторов (степень закрутки d/s = 0,0325; 0,039; 0,059) не приводит к большому увеличению коэффициента теплоотдачи аинт по сравнению с гладкой трубой агл (№инт/№гл < 1,2). Однако при этом наблюдается значительный рост падения давления, который опережает повышение
NuraT/Nura (рис. 2). Такая закономерность хорошо согласуется с результатами [3], и ее можно объяснить тем, что в рассматриваемых режимах (однофазный, снарядный) значительного роста аинт можно добиться только при очень больших степенях закрутки d/s, когда поток турбулизируется настолько, что происходит образование трехмерных вихрей и разрушается ламинарный подслой, препятствующий теплообмену. Однако при такой турбулиза-ции значительным будет и гидродинамическое сопротивление, что приведет к существенному уменьшению коэффициента эффективности £ [4].
Степень закрутки d /s
Рис. 3. График зависимости отношения Е, = (Киинт/Мигл)/(АРинт/АРгл) от степени закрутки d/s ленточного турбулизатора при волновом режиме течения на входном участке (Р0 = 0,2247 МПа; юр - массовая скорость, кг/(м2с); q - тепловой поток, кВт/м2)
При движении по обогреваемой трубе паросодержание потока увеличивается от сечения к сечению, а следовательно, меняется и вид течения. Снарядный режим сменяется волновым, который характеризуется уменьшением доли смоченной поверхности. Из рис. 1 и 3 видно, что применение рассмотренных турбулизаторов приводит к повышению интенсивности теплообмена при наличии данного режима в среднем в 1,5 раза при одновременном увеличении падения давления в 1,4 раза, т. е. уже наблюдается опережающий рост коэффициента а по сравнению с гидродинамическим сопротивлением. Объясняется это тем, что рост АР при прочих равных условиях определяется степенью закрутки ленты. В проведенных исследованиях шаг турбулизатора сознательно был выбран достаточно большим, чтобы обеспечить увеличение площади контакта жидкой фазы с внутренней поверхностью трубы при сравнительно малом повышении сопротивления.
В проведенных экспериментах улучшение смачиваемости верхней части трубы фиксировалось как при визуальных наблюдениях, так и посредством установленных в пяти сечениях по длине трубы термопар (по четыре в каждом сечении). Анализ показаний термопар позволяет сделать вывод о том, что применение ленточного турбулизатора при наличии на входе расслоеного или волнового режима течения приводит к увеличению площади контакта жидкости с внутренней поверхностью трубы (в зависимости от параметров потока и установленного интенсификатора). Нужно также отметить, что при наличии на входе волнового режима течения (рис. 3) максимум отношения (Киинт/Кигл)/(АРинт/АРгл) достигается при применении турбулизатора со степенью закрутки d/s = 0,0325. Дальнейшее увеличение показателя d/s приводит к интенсификации теплообмена (рис. 1), однако наблюдается значительное увеличение гидродинамического сопротивления, которое вызывает уменьшение коэффициента эффективности £ (особенно при больших входных массовых скоростях юр).
Следующий за волновым расслоенный режим течения является наименее эффективным с точки зрения теплоотдачи. Под действием массовых сил поток разделяется на жидкость, омывающую нижнюю образующую трубы и пар, занимающий верхнюю часть. При этом наблюдается четкий раздел фаз, который приводит к тому, что доля смоченного периметра при данном паросодержании j минимальна. Подобрав ленточный турбулиза-тор, можно добиться существенного увеличения поверхности контакта жидкости с внутренней поверхностью трубы (а следовательно, и интенсивности теплообмена) при сравнительно небольшом росте гидродинамического сопротивления. Незначительный рост падения давления двухфазного потока в трубе с ленточной вставкой при наличии на входе расслоеного режима течения можно объяснить тем, что под действием массовых инерционных сил более тяжелые частицы жидкости будут отталкиваться к стенке трубы, а пар будет двигаться в центре потока, не создавая большого дополнительного сопротивления.
Из рис. 1 видно, что наибольшая интенсификация теплоотдачи при использовании ленточного турбулизатора имеет место именно в области существования расслоеного режима течения (Киинт/Кигл >2). Интенсификация сопровождается весьма незначительным увеличением АР, что ведет к опережающему росту коэффициента теплоотдачи по отношению к гидродинамическому сопротивлению (отношение (Киинт/Кигл)/(АРинт/АРгл) достигает 1,5). Предельная эффективность для расслоенного режима, в отличие от волнового, достигается при степени закрутки ленточного турбулизатора d/s = 0,039, а при дальнейшем увеличении этого показателя -снижается (рис. 4). Чем выше турбулизация потока на входе в трубу (т. е. чем выше юр), тем значительнее это падение, что можно объяснить прямой связью между шагом турбулизатора и создаваемыми им инерционными силами. Так, для волнового режима течения обеспечить полную смачиваемость внутренней поверхности трубы можно путем приложения незначительной силы, в то время как заброс жидкой фазы на верхнюю образующую трубы при наличии на входе расслоеного режима требует приложения более значительных сил.
Степень закрутки <3 /в
Рис. 4. График зависимости отношения Е, = (Кииш/Ыигл) / (ДРинт/ДРгл) от степени закрутки ¿/ь ленточного турбулизатора при расслоеном режиме течения на входном участке (Р0 = 0,2247 МПа; юр - массовая скорость, кг/(м2с); q - тепловой поток, кВт/м2)
В результате экспериментального исследования также было выявлено влияние тепловой нагрузки и массового расхода на эффективность применения ленточной вставки. Из рис. 4 видно, что увеличение удельного теплового потока q при прочих равных условиях приводит к росту коэффициента £,. Это можно объяснить тем, что в общем случае увеличение теплового потока вызывает рост истинного объемного паросодержания ф, который приводит к повышению скорости течения жидкости. Это в свою очередь способствует усилению закрутки потока и увеличению доли смоченного периметра.
Влияние массовой скорости на эффективность имеет более сложный характер, т. к. зависит от вида течения на входе в трубу. Так, при наличии на входе снарядного режима, характеризующегося преобладанием жидкой фазы, рост юр ведет к падению показателя £,, что связано с опережающим ростом гидродинамического сопротивления по сравнению с увеличением коэффициента теплоотдачи. При больших значениях паросодержания, когда на входе в трубу наблюдаются волновой или расслоеный режимы течения, увеличение юр приводит к росту отношения (Кии^/Ки^ДРинр/ДРпО при больших шагах закрутки, а при малых - к увеличению коэффициента эффективности. Объясняется это тем, что повышение массового расхода приводит к росту инерционных сил, способствующих забросу жидкости на верхнюю образующую трубы. Однако существует такой оптимальный
шаг, при котором обеспечивается полная смачиваемость внутренней поверхности трубы. При шаге турбулизатора меньше оптимального увеличение массового расхода будет вызывать падение давления, но значительной интенсификации теплообмена при этом наблюдаться уже не будет, поэтому эффективность применения ленточного завихрителя уменьшается.
Одним из практических решений на основе полученных экспериментальных данных, которое позволит существенно увеличить эффективность применения турбулизатора, является использование переменного шага по ходу движения холодильного агента. Как было показано выше, каждому режиму течения соответствует свой наиболее целесообразный шаг ленточной вставки, который позволяет добиться максимального отношения роста коэффициента теплоотдачи к увеличению АР в трубе. Вследствие этого имеет смысл применять ленточные турбулизаторы переменного шага (с увеличением шага при росте истинного объемного паро-содержания). Поскольку в теплообменных аппаратах, используемых в холодильной технике (воздухоохладители, батареи и т. д.), в одном ходе, как правило, несколько труб, то реализация данного решения возможна, если в каждую последующую по ходу движения холодильного агента трубу вставлять турбулизатор с большим шагом.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Минеев Ю. В., Гужва М. А. Исследование возможности моделирования гидродинамической картины течения холодильных агентов внутри горизонтальных труб // Актуальные проблемы современной науки. Естественные науки: Тр. 5-й Междунар. конф. молодых ученых и студентов. Ч. 3, 4. - Самара: Сам-ГТУ, 2004. - С. 40-44.
2. Минеев Ю. В., Букин В. Г., Кузьмин А. Ю. Исследование влияния турбулиза-торов на гидродинамику двухфазного потока при его вынужденном движении внутри горизонтальных труб // XXIV Российская школа по проблемам науки и технологии, посвященная 80-летию со дня рождения академика В. П. Макеева. Краткие сообщ. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - С. 108-111.
3. Щукин В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. - М.: Машиностроение. 1970. - 330 с.
4. Данилова Г. Н. Теплообменные аппараты холодильных установок. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. - 303 с.
Получено 29.12.05
EXPERIMENTAL INVESTIGATING THE EFFECTIVENESS OF BELT TURBULENCE PROMOTER DURING MIXED REFRIGERANTS BOILING IN HORIZONTAL TUBES
V. G. Bukin, A. Yu. Kuzmin, Yu. V. Mineyev
The results of processing experimental data for estimating, how belt turbulence promoter with certain geometry influences hydrodynamics and heat exchange of two-phase flow, have been obtained. One of practical means based on data obtained is use of varied pitch along the tube.
