CC BY
49
УДК 621.565
В. Г. Букин, О. В. Прошкин, Е. И. Меркулов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕНТОЧНОГО ТУРБУЛИЗАТОРА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА КИПЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНОГО АГЕНТА ВНУТРИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ
V. G. Bukin, O. V. Proshkin, E. I. Merkulov
APPLICATION OF A BELT TURBULIZATOR FOR INTENSIFICATION OF THE BOILING PROCESS OF A REFRIGERATING AGENT INSIDE THE HORIZONTAL PIPE
Исследуется процесс теплообмена двухфазного потока в присутствии ленточного четырехканального турбулизатора. Приведены результаты модельного эксперимента. Сопоставление результатов исследования гидродинамики и теплообмена для различных видов турбулизаторов дает основание говорить о целесообразности дальнейшего исследования процесса теплообмена в натурном эксперименте ленточного четырехканального турбулизатора с шагом винтовой линии 250 мм.
Ключевые слова: интенсификация теплообмена, двухфазный поток, коэффициент теплоотдачи, четырехканальный ленточный турбулизатор.
The process of heat exchange of a two-phase flow is investigated at the presence of a four-channel belt turbulizator. The results of a model experiment are presented in the paper. The comparison of the results of hydrodynamics investigation and heat exchange for various kinds of turbulizators gives the foundation to speak about the expediency of further research of the heat exchange process of the four-channel belt turbulizator with the step of a screw line of 250 mm by means of the natural experiment.
Key words: intensification of heat exchange, two-phase flow, heat exchange factor, four-channel belt turbulizator.
Массовые и габаритные показатели (а следовательно, и цены холодильного оборудования) в большой степени зависят от интенсивности теплообменных процессов, происходящих в аппаратах холодильных машин. Предлагаются различные способы интенсификации теплообмена. Одним из наиболее экономичных и технологичных является применение ленточных тур-булизаторов. В [1, 2] нами рассмотрено влияние двухканальных турбулизаторов на гидродинамику и теплообмен при вынужденном движении двухфазного потока внутри горизонтальной трубы. В продолжение исследований нами был рассмотрен четырехканальный турбулизатор. Эксперименты для определения коэффициента теплоотдачи проводились на специально изготовленном стенде (рис. 1).
Эксперименты проводились по следующей методике. Подача воды в стенд осуществляется путем полного открытия запорного вентиля 2 и неполного открытия регулирующего вентиля 3. С помощью регулирующего вентиля 3 достигается нужный расход воды, который измеряется объемным способом при помощи мерного бака 13 и секундомера. Затем открываются вентили 4, 6, 7 подачи воздуха в стенд до достижения требуемого режима течения, после чего снимаются показания дифференциального манометра 10, термопар на экспериментальном участке 11 и производятся визуальные наблюдения за характером движения двухфазного потока.
Для измерения тепловой нагрузки, подаваемой на участок трубы 11 посредством навивных ТЭНов, был подключен измерительный комплекс К-505. Температуру измеряли хромель-копелевыми термопарами в трех сечениях по длине трубы - по четыре термопары в каждом сечении. Таким образом, измерялась температура верхней, боковой и нижней образующей трубы, а также ядра потока посредством термопары, вставленной в специальную капсулу.
Вода из водопровода
Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования теплоотдачи двухфазного потока:
1 - водонапорный бак для подачи воды и предотвращения колебания давления в стенде; 2 - запорные водяные вентили; 3 - водяной регулирующий вентиль; 4 - воздушный регулирующий угловой вентиль;
5 - смесительное устройство; 6 - трехходовой вентиль для подачи воздуха от пневмокомпрессора;
7 - шаровые запорные водяные вентили; 8 - тройники для подключения дифференциального манометра; 9 - трехходовой вентиль для подключения дифференциального манометра и подачи воздуха в трубку;
10 - дифференциальный водяной манометр; 11 - экспериментальный участок для определения коэффициента теплоотдачи; 12 - трехходовой вентиль для подключения дифференциального манометра и слива воды; 13 - бак для измерения расхода воды и воздуха
Исследование проводилось в диапазоне изменения параметров, характерных для холодильной техники: массовая скорость - 30^150 кг/(с • м2); объемное паросодержание - 0^80 %; тепловой поток - 5 000 Вт/м2. Экспериментальная труба внутренним диаметром 13 мм и толщиной стенки 0,5 мм изготовлена из стали марки 1Х18Н9Т; турбулизатор изготовлен из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм, в сечении имеет вид четырехлучевой звезды, шаг закрутки по винтовой линии 250, 500 и 750 мм. Полученные экспериментальные данные обработаны и представлены в виде графических зависимостей на рис. 2, 3.
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от объемного паросодержания при юр = 34 кг/(с • м2)
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от объемного паросодержания
при юр = 136 кг/(с • м2)
Из графических зависимостей следует, что увеличение объемного паросодержания в интервале от 0 до 80 % ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи как в присутствии турбу-лизатора, так и без него. Увеличение коэффициента теплоотдачи в присутствии турбулизатора в 1,5 раза больше, что объясняется увеличением площади непосредственного контакта теплоносителя (воды) с теплообменной поверхностью (стенкой трубы). При увеличении массовой скорости потока коэффициент теплоотдачи увеличивается, что характерно и для однофазных потоков.
Применение ленточного турбулизатора играет двоякую роль. Положительный эффект -увеличивается коэффициент теплоотдачи за счет увеличения площади смоченной теплообменной поверхности. Отрицательный эффект - возрастает гидравлическое сопротивление. Поэтому для определения наиболее эффективных геометрических параметров турбулизатора сравниваем отношение коэффициента теплоотдачи в присутствии турбулизатора (От) к коэффициенту теплообмена без него (агл) с отношением гидравлического сопротивления в присутствии турбулизатора (ЛРт) к гидравлическому сопротивлению без него (ЛРгл) при одинаковых режимных параметрах двухфазного потока.
а/агл ДР/ДРт
1.5 / а/агл
-8 4х, шаг 250 мм
., * 4х, шаг 500 мм
' Д 4x, шаг 750 мм
1.6
1,5 1,4
ДР/ДРгл ’ □ 4х, шаг 250 мм
:.2 --о 4х, шаг 500 мм
Д 4х, шаг 750 мм
1,1 1
0,25 0,5 0,7 0,8
Объёмное паросодержание ф, %
Рис. 4. Зависимость отношений ат/агл и ЛРт/ЛРгл от объемного паросодержания
при юр = 34 кг/(с • м2)
а/агл
4x, шаг 250 мм 4x, шаг 500 мм 4x, шаг 750 мм
ДР/ДРгл □ 4x, шаг 250 мм —*■-* 4x, шаг 500 мм д 4x, шаг 750 мм
0,25 0.5 0.7 0,8
Объёмное паросодержание ф, %
Рис. 5. Зависимость отношений ат/агл и АРх/АРгл от объемного паросодержания
при юр = 136 кг/(с • м2)
Сопоставляя результаты гидродинамики двухфазного потока, приведенные в [3, 4], и результаты экспериментов по определению коэффициента теплоотдачи для различных видов четырехканальных турбулизаторов на рис. 4, 5, приходим к выводу о целесообразности дальнейшего исследования в натурном эксперименте ленточного четырехканального турбулизатора с шагом винтовой линии 250 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Минеев Ю. В. Математическая модель течения закрученного двухфазного потока внутри горизонтальной трубы // Вестн. Междунар. акад. холода. - 2008. - № 1. - С. 24-28.
2. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Минеев Ю. В. Применение ленточных турбулизаторов в теплообменном оборудовании // Теплообменное машиностроение. - 2008. - № 2. - С. 37-41.
3. Крайникова Т. С., Прошкин О. В. Гидродинамика при вынужденном движении двухфазного потока внутри горизонтальной трубы в присутствии четырехканального ленточного турбулизатора // Тез. докл. Междунар. конф. с элементами науч. школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники низких температур». - М.: МГУЭИ, 2010. - С. 151-153.
4. Букин В. Г., Прошкин О. В., Меркулов Е. И. Интенсификация процесса кипения в воздухоохладителях судовых холодильных установок с использованием четырехканального ленточного турбулизатора // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 165-167.
Статья поступила в редакцию 14.11.2011 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Букин Владимир Григорьевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Холодильные машины»; kxm@astu.ru.
Bukin Vladimir Grigorievich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.ru.
Прошкин Олег Владимирович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.ru.
Proshkin Oleg Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.ru.
Меркулов Евгений Игоревич - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; uzmo@mail.ru.
Merkulov Evgeniy Igorevich - Astrakhan State Technical University; Undergraduate of the Department "Refrigerating Machines"; uzmo@mail.ru.
