CC BY
63
УДК 621.244
В. Г. Букин, А. Ю. Кузьмин, О. В. Прошкин
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ TEПЛOOБМEHA В ИСПАРИТЕЛЯХ CУДOBЫX XOЛOДИЛЬHЫX УCTAHOBOК С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛЕНТОЧНЫ1Х ТУРБУЛИЗАТОГОВ
Основными требованиями, предъявляемыми к любой транспортной холодильной установке, являются минимальные габариты и энергопотребление при максимальной эффективности. Достичь максимальной эффективности работы холодильной установки можно, сделав более рациональными основные процессы, протекающие в ней. Одним из таких процессов является кипение или испарение холодильных агентов в испарителях.
Рассматривая процесс кипения, происходящий в испарителях судовых холодильных машин, можно констатировать, что уже после регулирующего вентиля наблюдается движение двухфазного потока в волновом или расслоенном режимах. Для этих режимов характерна низкая теплоотдача вследствие уменьшения смоченной внутренней теплообменной поверхности за счет уменьшения количества жидкого холодильного агента. Известно, что теплообмен между паром и твердой стенкой во много раз меньше, чем между жидкостью и твердой стенкой [1].
Для интенсификации процесса теплообмена внутри горизонтальных труб испарителей (воздухоохладители, охлаждающие батареи) предлагается увеличить смоченную поверхность теплообмена за счет вставки внутрь трубы. Ранее исследовались вставки, разделяющие трубу на два канала [2]. Однако они имеют существенный недостаток - увеличение смоченного периметра внутренней поверхности трубы происходит только на половине шага турбулизатора, что составляет значительную часть трубы. Для устранения этого недостатка предлагается вставка-турбулизатор, имеющая в поперечном сечении вид шестиконечной «звездочки» с углом между лучами 6G°. Вставка выполнена из тонколистовой стали с жесткой фиксацией угла между лучами и закручена по винтовой линии. Исследовались турбулизаторы с шагом винтовой линии 5GG, 75G, 1 GGG мм.
Вставка предназначена в первую очередь для увеличения смоченной теплообменной поверхности путем направления кипящего жидкого холодильного агента на верхнюю часть трубы. Холодильный агент, попадая в каналы вставки-турбулизатора, поднимается в них, т. к. они закручены по винтовой линии по всей длине трубы. Вторая составляющая интенсификации теплообмена - турбу-лизация пристенного слоя, образование вихрей, увеличение скорости в ламинарном подслое.
Для исследования гидродинамики и теплообмена двухфазного потока в трубе с ленточными завихрителями было изготовлено два стенда. В одном использовалась стальная труба диаметром 12 мм и длиной 3 3GG мм. Во втором стенде в качестве модели двухфазного потока использовалась водовоздушная смесь. Для визуального наблюдения при исследовании гидродинамики потока в экспериментальный стенд был включен стеклянный отрезок трубы того же внутреннего диаметра, что и основной трубопровод. Исследования проводились в диапазоне изменения режимных параметров, характерных для холодильной техники (массовая скорость юр = 5G^13G кг/(с-м2), объемное паросодержание ф = G,1^G,9). Визуальное наблюдение при исследовании двухфазного потока при указанных параметрах выявило следующие режимы течения в гладкой трубе: снарядный, волновой, расслоенный, серповидный, кольцевой. Для всех режимов течения характерны значительные изменения при установке турбулизатора. Если при волновом режиме без турбулизатора смочена нижняя поверхность теплообменной трубы и наблюдаются гребни волн, иногда доходящие до верхней образующей трубы, а при расслоенном режиме видна четкая граница раздела фаз в теплообменной трубе: нижняя поверхность омывается жидкостью, а верхняя - паром, то в присутствии турбулизатора вся внутренняя поверхность трубы смочена практически равномерно. Для получения более наглядной картины наблюдения за режимом течения проводилось подкрашивание жидкости.
Данные, полученные в ходе экспериментов по гидродинамике, обработаны и представлены в виде зависимостей падения давления АР на экспериментальном участке от объемного паросодержания ф при различных значениях массовой скорости юр и абсолютного s и относительного d/s шага турбулизатора (рис. 1, 2).
Объемное паросодержание
Рис. 1. Зависимость АР = /(ф) при различных значениях массовой скорости потока при шаге s = 1 000 мм (d/s = 0,011 мм)
Объемное паросодержание
Рис. 2. Зависимость АР = /(ф) при различных значениях относительного шага турбулизатора (юр = 105 кг/(с • м2))
Анализ приведенных зависимостей показывает, что в исследуемом диапазоне с увеличением массовой скорости и объемного паросодержания падение давления на участке возрастает. Кроме того, видно, что при уменьшении шага турбулизатора сопротивление участка растет, причем влияние шага турбулизатора на сопротивление участка увеличивается с увеличением массовой скорости. При небольших массовых скоростях потока величина падения давления изменяется несущественно для всего диапазона изменения шага турбулизатора.
В снарядном режиме течения потока (до ф = 0,6) не наблюдается значительного повышения падения давления на экспериментальном участке по сравнению с гладкой трубой.
При волновом режиме течения ф = 0,7^0,75 наблюдается рост разности давления на исследуемом участке в присутствии турбулизатора.
При расслоенном режиме также происходит увеличение гидравлического сопротивления. Турбулизатор при данных режимах течения «забрасывает» жидкость на стенки трубы, увеличивая тем самым смоченную поверхность.
Серповидный и кольцевой режимы течения характеризуются значительным возрастанием гидравлического сопротивления участка при наличии турбулизатора. При кольцевом режиме турбулизатором создается наибольшее гидравлическое сопротивление.
Тепловая нагрузка создавалась при помощи электронагревателя, расположенного на наружной поверхности экспериментального участка, выполненного из стального трубопровода с термопарами, расположенными в начальном, среднем и концевом сечениях трубы.
Результаты эксперимента по теплообмену представлены в виде зависимостей коэффициента теплоотдачи а от массовой скорости юр и относительного шага d/s турбулизатора при различной плотности теплового потока q (рис. 3, 4).
750
150 \--------1--------1---------1--------1--------.--------.--------
о 0 20 40 60 80 100 120 140
Массовый расход, кг/(с ■ м2)
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от массового расхода при ф = 0,72, s = 1 000 мм (d/s = 0,011)
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи от относительного шага при юр = 81 кг/(с • м2), ф = 0,72
Из рис. 3, 4 видно, что уменьшение шага турбулизатора s (увеличение относительного шага d/s) приводит к росту коэффициента а. При ф = 0 это объясняется в первую очередь турбули-зацией пристенного слоя, при ф = 0,72 - полным смачиванием внутренней поверхности трубы.
Увеличение удельной тепловой нагрузки q приводит, в общем случае, к монотонному повышению коэффициента теплоотдачи а как для исходной (без турбулизатора) трубы, так и для труб с турбулизаторами.
Для оценки эффективности турбулизаторов с шагом применим коэффициент эффективности £,:
£ = (а/а™ ) / (ДРт/ДРга),
где а - коэффициент теплоотдачи экспериментального участка с турбулизатором; агл - коэффициент теплоотдачи экспериментального участка без турбулизатора; ДРт - падение давления на экспериментальном участке с турбулизатором; ДРгл - падение давления на экспериментальном участке без турбулизатора.
0,31
5: 0,3
^ 0,29 0,28
О
я 0,27
о> ’
В
§ 0,26
н О
0,25 0,24
50 70 90 110
Массовый расход, кг/(с • м2)
Рис. 5. Зависимость отношения (ат/агл)/(ДРт/ДРгл) от массового расхода q = 1 279 Вт/м2 и ф = 0,72
Из рис. 5 видно, что турбулизатор с шагом 5 = 1 000 мм эффективнее турбулизатора с шагом 5 = 500 мм: второй приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи, однако наблюдается значительное увеличение гидродинамического сопротивления, которое вызывает уменьшение коэффициента эффективности £,.
Из вышесказанного следует, что применение ленточных турбулизаторов является эффективным средством интенсификации теплообменных процессов при течении двухфазных потоков, особенно при волновом и расслоенном режимах течения, внутри горизонтальных труб в диапазоне изменения режимных параметров, характерных для холодильной техники. Для двухфазных потоков целесообразнее применять ленточные турбулизаторы большого шага, которые обеспечивают смачивание внутренней поверхности трубы и не приводят к чрезмерному росту гидродинамического сопротивления. Нужно отметить, что падение давления при парообразовании имеет особое значение в испарителях холодильных машин.
В целом, на основании проведенных наблюдений, можно сделать вывод, что при движении двухфазного потока в трубе с ленточным турбулизатором активное перемешивание фаз, пульсации, закрутка потока приводят к полному смачиванию теплообменной поверхности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин / А. А. Гоголин, Г. Н. Данилова, В. М. Азарсков, Н. М. Медникова. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1982. - 224 с.
2. Минеев Ю. В. Теплообмен и гидродинамика при вынужденном движении двухфазных потоков внутри горизонтальных труб с ленточными турбулизаторами / IV Междунар. науч.-техн. конф.: материалы конф. - Вологда, 2004. - С. 325-328.
Статья поступила в редакцию 22.07.2009
HEAT EXCHANGE INTENSIFICATION IN EVAPORATORS OF THE SHIP REFRIGERATING MACHINERY WITH APPLICATION OF BELT TURBULENCE PROMOTERS
V. G. Bukin, A. Yu. Kuzmin, O. V. Proshkin
The search of methods of intensification of the heat exchange process at boiling in evaporators of refrigerators is made to decrease mass-dimension parameters of heat exchange equipment. The heat exchange process at boiling within belt six-ray turbulence promoter, made as a six-ray star is investigated. The results of the model experiment for hydrodynamics and heat exchange of two-phase flow observation are presented.
Key words: the boiling, two-phase, flow, turbulence promoter, heat exchange.
