CC BY
149
УДК 681.5.015
В. Ф. Шуршев, А. Н. Умеров Астраханский государственный технический университет
ИДЕНТИФИКАЦИЯ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ И ИХ СМЕСЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФАЗОВЫ1Х ДИАГРАММ
Введение
Для определения режимов течения двухфазного потока в горизонтальной трубе, как правило, используют диаграммы режимов течения. Данные диаграммы получены путем обобщения экспериментальных данных и носят субъективный характер. Субъективный характер имеет и само понятие режима течения, поэтому с высокой степенью достоверности идентификация режима течения по одной отдельной диаграмме может быть определена только для условий, в которых проводились исследования и получены данные, послужившие основой для построения диаграммы. Следовательно, применительно к различным веществам, в том числе к холодильным агентам, использование различных диаграмм может дать разные результаты по идентификации режимов.
Для того чтобы учесть возникающие расхождения, следует использовать накопленный опыт по согласованию данных, полученных с применением различных диаграмм. После сбора и анализа такой информации возможно создание экспертной системы, которая будет выполнять идентификацию режимов течения с учетом всей накопленной согласующейся информации.
Постановка задачи
Цель работы - провести анализ существа диаграмм течения двухфазных потоков с целью обобщения и согласования данных для последующего использования в экспертной системе.
Диаграммы режимов течения
Диаграммы режимов течения отражают значительную часть данных, накопленных за длительный период различных исследований поведения двухфазных потоков жидкостей при изучении процессов кипения и конденсации.
Существующие диаграммы представляет собой не просто обобщение экспериментальных данных, они содержат также информацию эксперта, который их составлял. В процессе накопления опытных данных диаграммы могут как опровергаться новыми опытными данными, так и подтверждаться. Для того чтобы можно было учитывать эти знания при идентификации режимов течения, необходимо их проанализировать и обобщить.
Ниже будут рассмотрены диаграммы А. А. Малышева, Baker, Ван Дер Ягта, Mandhane, Тейтеля и Даклера, Soliman и Azer, Бребера, Тандона.
Диаграмма А. А. Малышева и др. Диаграмма режимов течения двухфазного потока, предложенная А. А. Малышевым и др. [1], построена в координатах Fr0 (число Фруда) и j (истинное объемное паросодержание). Диаграмма учитывает как экспериментальные данные авторов по кипению холодильного агента R12, так и данные J. Chawla [2] (холодильный агент R11) и H. K. Varma [3] (холодильный агент R22).
б
w
в
Рис. 1. Диаграммы режимов течения (часть I): а - диаграмма А. А. Малышева и др.; б - диаграмма Baker: 1 - пенистый; 2 - пузырьковый; 3 - снарядный;
4 - расслоенный; 5 - волновой; 6 - волновой с перемычками; 7 - дисперснокольцевой; в - диаграмма Soliman и Azer: 1 - дисперсный; 2 - кольцевой;
3 - полукольцевой; 4 - волново й; 5 - толчкообразный; 6 - снарядный
^рж^В^В^рП
На диаграмме А. А. Малышева и др. (рис. 1, а) выделены следующие пять режимов течения холодильных агентов: снарядный, волновой, расслоенный, волновой-кольцевой, кольцевой.
Граничные значения параметров, относящихся к диаграмме, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Граничные условия диаграммы А. А. Малышева и др.
——Хладагент Параметр —— R12 (А. А. Малышев) R11 (J. Chawla) R22 (H. K. Varma)
Внутренний диаметр трубы, мм 6; 10 6.14 8
Температура насыщения, °С -20...+20 +5 +6
Плотность тепловых потоков, кВт/м2 2...20 - -
Массовая скорость, кг/(с-м2) 40.550 130.150 154.620
Массовое расходное паросодержание 0,005.0,9 - -
Диаграмма Вакег. Диаграмма режимов течения, предложенная О. Вакег [4], построена в координатах ^рп/1в и ^рж1вув/^рп (по нотации [5]), где ^рп и ^рж - поверхностные массовые скорости газообразной и жидкостной составляющих соответственно.
Коэффициенты 1в и ув рассчитываются следующим образом:
Рп
Л
У Рвозд J
Y
1/2
У B =
^ ^ Р ^
г вод
V ^вод J
1/3
Р
ж
2
Здесь и далее р, a, m - соответственно плотность, коэффициент поверхностного натяжения и коэффициент динамической вязкости; индексы п и ж обозначают соответственно газообразную и жидкостную фазу; индексы возд и вод относятся к значениям параметров для воздуха и воды при нормальных условиях.
На диаграмме Baker (рис. 1, б) выделены семь следующих режимов течения: пенистный, пузырьковый, снарядный, расслоенный, волновой, волновой с перемычками, дисперсно-кольцевой.
Диаграмма подтверждается исследованиями N. P. Hand et al. [6] для водовоздушных и сурфактант-воздушных двухфазных потоков.
Исследования для холодильного агента R22, проведенные T. Fujii et al. [7], показали незначительное отклонение экспериментальных данных от предсказанных по диаграмме. В работе [8] автором отмечена недостаточная согласованность данных диаграмм для холодильного агента R12.
Диаграмма Soliman и Azer. Диаграмма режимов течения, предложенная H. M. Soliman и N. Z. Azer [9], построена в координатах (1 - j) / j ( j - истинное объемное паросодержание) и wx (средняя скорость жидкости). На диаграмме Soliman и Azer (рис. 1, в) выделены следующие режимы течения: дисперсный, полукольцевой, кольцевой, волновой, толчкообразный, снарядный.
Экспериментальные данные (435 опытных точек), полученные в работе Т. Х. Тандона и др. [10] при конденсации смеси холодильных агентов R22 и R12, в основном согласуются с диаграммой, предложенной Soliman и Azer.
Экспериментальные данные, полученные Q. Chen et al. [11, 12], также согласуются с данной диаграммой. Режимы, предсказанные с использованием данной диаграммы, согласуются с опытными данными по холодильному агенту R134a [12, 13] в пределах 25 %.
Диаграмма Бребера. Диаграмма режимов течения Бребера [14] построена в координатах X (параметр Мартинелли) и уп* (безразмерная скорость газа по Уоллису):
где х - массовое расходное паросодержание; g — ускорение свободного падения; D - диаметр трубы.
Диаграмма разбита на три зоны (рис. 2, а): а) дисперсный и кольцевой режимы; б) волновой режим; в) толчкообразный и снарядный режимы. На диаграмме выделены также переходные области между различными режимами.
Диаграмма согласуется с опытными данными, полученными M. E. Ewing et al. [15], применительно к водовоздушной смеси.
Диаграмма Тандона. Диаграмма режимов течения, предложенная Тандоном и др. [10, 16], построена в координатах (1 - j) / j и уп*. Диаграмма разбита на четыре зоны (рис. 2, б): а) дисперсный режим; б) кольцевой и полукольцевой режимы; в) волновой режим;
г) толчкообразный режим.
Данная диаграмма согласуется с экспериментальными данными, полученными Shao D. W et al. [17] при конденсации чистых и азеотропных холодильных агентов R12, R22, R134a, R502.
х • wp
п
Дисперсный и кольцевой
л
Переходная об ласть 'о
Волновой Переходная | Толчкооб- . разный и снарядный
Х
а
1 Дисперсный
Ко. И Е льцевой олукольцевой
В олновой
То ра лчкооб- зный
0.001 0.01 0.1 1
(1-ф)/ф
б
в
Рис. 2. Диаграммы режимов течения (часть II): а - диаграмма Бребера; б - диаграмма Тандона; в - диаграмма Ван Дер Ягта: 1 - кольцевой;
2 - волновой; 3 - волновой с перемычками; 4 - пузырьковый;
5 - снарядный; 6 - расслоенный
Диаграмма Ван Дер Ягта. Диаграмма режимов течения, предложенная Ван Дер Ягтом [8], построена в координатах Ф и О.
Коэффициенты Ф и О рассчитываются следующим образом:
где Бг - число Фруда; 'Ь - число Вебера; Яеп - число Рейнольдса для газа; V - коэффициент кинематической вязкости.
Числа Бг, 'Ь, Яеп рассчитываются следующим образом:
На диаграмме (рис. 2, в) выделены следующие шесть режимов течения: кольцевой, волновой, волновой с перемычками, пузырьковый, снарядный, расслоенный, ударный.
Диаграмма Mandhane et al. Диаграмма режимов течения, предложенная Mandhane et al. [18], построена в координатах j (поверхностная скорость течения жидкостной составляющей) и jn (поверхностная скорость течения газообразной составляющей). Основой построения этой диаграммы послужили 5 935 экспериментальных измерений, из которых 1 178
относятся к водовоздушным двухфазным потокам [5].
На диаграмме Mandhande et al. (рис. 3, а) выделены следующие шесть режимов течения: пузырьковый, пробковый, стержневой, кольцевой, волновой, расслоенный.
Применительно к холодильному агенту Я134а режимы течения диаграммы Mandhande et al. были подтверждены в работе Q. Chen et al. [11].
Уп
а
х
б
Рис. 3. Диаграммы режимов течения (часть III): а - диаграмма Мап^апе е1 а1.: 1 - пузырьковый; 2 - пробковый; 3 - стержневой; 4 - кольцевой;
5 - волновой; 6 - расслоенный; б - диаграмма Тейтеля и Даклера:
1 - пузырьковый; 2 - перемежающийся; 3 - расслоенный 4 — волновой; 5 — дисперсно-кольцевой жидкостный
Для диаграммы режимов течения также выделены условия по ее применимости [18] (табл. 2).
Таблица 2
Граничные условия диаграммы Mandhane et al.
Параметр Диапазон значений
Внутренний диаметр трубы, мм 12,7...165,1
Плотность жидкости, кг/м 3 705 1 009
Плотность газа, кг/м 3 0,80.50,5
Коэффициент динамической вязкости жидкости, Па 3 х 10-4 9 х 10-2
Коэффициент динамической вязкости газа, Па 10-5_2,2 х 10-5
Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м 10'3 3 0 2
Поверхностная скорость жидкости, м/с 10'2 0,09.. .731
Поверхностная скорость газа, м/с 0,04_ 171
Диаграмма Тейтеля и Даклера. Обобщенная диаграмма режимов течения горизонтального двухфазного потока, предложенная Y. Taitel and A. E. Dukler [19], характеризуется тем, что одновременно сочетает разделительные кривые, построенные в координатах различных безразмерных параметров (рис. 3, б):
K =
Рп • Л
______DL
(Рж - Рп )• D • g • COS a Vж
X =
(dpF / dz )ж
(dpF / dz )п
F =
Рп
Л
рж - рп JD • g •
g •cos a
T =
(dpF / dz )я
(Рж - Рп )• g • COS a
где (dpF/dz)w и (dpF/dz)n - градиенты давления из-за трения для жидкой и газовой фаз при условии, что в канале течет только жидкость или газ; j и j - приведенные скорости газа и жидкости (объемный расход соответствующей фазы, деленный на площадь поперечного сечения канала); a -угол наклона канала к горизонтали.
На диаграмме разделительные кривые построены в координатах F от X K от X, T от X.
Экспериментальные данные для водовоздушных смесей, полученные D. Kim et al. [20] хорошо согласуются с данной диаграммой.
N. Kattan et al. [21] отметили недостаточную согласованность данной диаграммы с экспериментальными данными для следующих холодильных агентов: R123, R134a, R502, R402а, R404а.
Заключение
Собранные и обобщенные данные позволят учитывать накопленный общий и частный опыт по режимам течения холодильных агентов и их смесей.
Проведенный обзор позволил выявить наиболее популярные диаграммы, которые целесообразно использовать в экспертной системе с учетом их недостатков и преимуществ.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Влияние режимов течения двухфазного потока хладагента R12 на теплоотдачу при кипении в горизонтальных трубах / А. А. Малышев, Г. Н. Данилова,
B. М. Азарсков, Б. Б. Земсков // Холодильная техника. - 1983. - № 11. -
C. 35-38.
2. Chawla J. Kaltemiteln-VDJ-Forchungs-heft. - 1967. - S. 523.
3. Varma H. K., Merotra R. K. - Proceedings of the II National Symposium on Refrigeration and Air Conditioning. Mechanical Eng. Dep. University of Roorkee, March 15 and 16. - 1973. - P. 81-87.
4. Baker O. Simultaneous Flow of Oil and Gas // Oil Gas J. - 1954. - Vol. 53. -Р. 185-190.
5. Heat Transfer // Rules of thumb for mechanical engineers : a manual of quick, accurate solutions to everyday mechanical engineering problems / J. Edward Pope, editor. Houston : Gulf, cop. 1997 : ix, 405 s.
6. Hand N. P., Spedding P. L., Ralph S. J. Effect of surface tension on flow pattern, holdup and pressure drop during horizontal air-water pipe flow at atmospheric conditions // Chemical Engineering Journal and the Biochemical Engineering Journal. - 1992. - Vol. 48(3). - Р. 197.
7. Fujii, T., S. Koyama, et al. Experimental study of evaporation heat transfer of refrigerant HCFC22 inside an internally grooved horizontal tube // JSME International Journal, Series B. - 1995. - Vol. 38(4). - Р. 618.
8. Ван дер Ягт М. Ф. Г. Двухфазный поток в испарителе // Холодильная техника. - 1976. - № 7. - С. 42-43.
9. Soliman H. M., Azer N. Z. Visual Studies of Flow Patterns During Condensation Inside Horizontal Tubes // Heat Transfer. - 1974. - Vol. 3. - Р. 241-245.
10. Тандон, Варма, Гупта. Новая карта режимов течения при конденсации в горизонтальных трубах // Теплопередача. - 1982. - № 4. - С. 173.
11. Chen, Q., R.S. Amano, M. Xin. Experimental study of flow patterns and regimes of condensation in horizontal three-dimensional micro-fin tubes // Proceedings of the ASME Summer Heat Transfer Conference. - 2003. - Las Vegas: NV: United States: American Society of Mechanical Engineers. - P. 410.
12. Chen Q., Cui W., et al. Flow patterns and the annular flow experimental correlation of R134a condensation heat transfer in three-dimensional micro-fin tube // Hsi-An Chiao Tung Ta Hsueh/Journal of Xi'an Jiaotong University. - 2000. - Vol. 34(11). - Р. 27.
13. Qinghua C., MingdaoX., Amano R. S. Experimental study of R134a condensation heat transfer inside the horizontal micro-fin tubes // The Ninth Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena In Electronic Systems. Lisbon : Portugal : WITPress. - 2004. - Vol. 2. - P. 239.
14. Бребер, Нейлен, Таборек. Расчет конденсации чистых компонентов на стенке горизонтальной трубы с помощью критериев режимов течения // Теплопередача. - 1980. - № 3. - С. 93.
15. EwingM. E., Weinandy J. J., Christensen R. N. Observations of two-phase flow patterns in a horizontal circular channel // Heat Transfer Engineering. - 1999. -Vol. 20(1). - Р. 9.
16. Тандон, Варма, Гупта. Режимы течения при конденсации бинарных смесей в горизонтальной трубе // Теплопередача. - 1985. - Т. 107, № 2. - С. 161-166.
17. Shao D. W., GranrydE. G. Flow pattern, heat transfer and pressure drop in flow condensation. Part I: Pure and azeotropic refrigerants // HVAC and R Research. -2000. - Vol. 6(2). - Р. 175.
18. Mandhane J. M., Gregory G. A., Aziz K. // Intl. Journ. of Multi Flow, 1: 533-537, 1974.
19. Taitel Y., Dukler A. E. A Model for Predicting Flow Regime Transition in Horizontal and Near Horizontal Gas-Liquid Flow // AlChE J. - 1976. - Vol. 22. -No. 47-55.
20. Kim D., Ghajar A. J. Heat transfer measurements and correlations for air-water flow of different flow patterns in a horizontal pipe // Experimental Thermal and Fluid Science. - 2002. - Vol. 25(8). - Р. 412.
21. Kattan N., Thome J. R., Favrat D. Measurement and prediction of two-phase flow patterns for new refrigerants inside horizontal tubes // Proceedings of ASHRAE Transactions. - 1995. - Vol. 101. - Р. 1251.
IDENTIFICATION OF TWO PHASE FLUX FLOW WITH REFRIGERANTS AND THEIR MIXTURES WITH APPLICATION OF PHASE DIAGRAMMES
V. F. Shurshev, A. N. Umerov
There were presented the results of analytical review and generalization of existing diagrammes with two phase flux flow in a horizontal tube. Malyshev' s, Van Der Yagt' s, Beyker' s, Mangen' s, Teytel' s and Dakler' s, Soliman' s , Azer' s and Breber's , Tandon' s diagrams were classified and presented. Collected and generalized data help to take into account general and particular experience in flows of refrigerants and their mixtures.
