CC BY
43
УДК 621.244
В. Г. Букин, О. В. Прошкин
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ИСПАРИТЕЛЯХ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Поиск новых методов интенсификации теплообмена при различных способах передачи тепла ведется с целью уменьшения массовых и габаритных показателей теплообменных аппаратов. Это особенно актуально для теплообменных аппаратов, расположенных на транспортных средствах, в том числе речных и морских судах.
Любой теплообменный аппарат судовой холодильной установки должен удовлетворять следующим требованиям: при минимальной массе и габаритах и использовании общедоступных материалов обеспечивать максимальный тепловой поток между теплообменными средами.
Рассматривая один из двух основных процессов теплообмена в холодильных машинах -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 [1]. Известно, что теплообмен между жидкостью и твердой стенкой во много раз больше, чем между паром и стенкой.
Для интенсификации процесса теплообмена внутри горизонтальных труб испарителей (воздухоохладители, охлаждающие батареи) была предложена [2] двухканальная вставка-завихритель. Она дает эффект смачивания внутренней теплообменной поверхности трубы и увеличение коэффициента теплоотдачи, проста в изготовлении и монтаже. Такая конструкция турбулизатора-завихрителя имеет следующий основной недостаток - увеличение смоченного периметра внутренней поверхности трубы происходит только на половине шага турбулизатора. Для устранения этого недостатка предлагаются турбулизаторы в виде четырех- и шестилучевых вставок (рис. 1). Вставки выполняются из тонколистовой стали с жесткой фиксацией угла между лучами и закручены по винтовой линии. Исследовались турбулизаторы с шагом винтовой линии 500, 750, 1 000 мм.
Рис. 1. Внешний вид ленточного шестиканального турбулизатора
Вставка предназначена в первую очередь для увеличения смоченной теплообменной поверхности путем направления кипящего жидкого холодильного агента на теплообменную поверхность трубы. Имеется в виду, что холодильный агент, попадая в каналы вставки турбулиза-тора, поднимается ими, т. к. они закручены по винтовой линии по всей длине трубы. Вторая составляющая интенсификации теплообмена - турбулизация пристенного слоя, образование вихрей, увеличение скорости в ламинарном подслое.
Исследование гидродинамики проходило в модельном эксперименте. В качестве модели двухфазного потока кипящего холодильного агента использовалась водовоздушная смесь. Для визуального наблюдения при исследовании гидродинамики потока в экспериментальный стенд
был включен стеклянный отрезок трубы того же внутреннего диаметра, что и диаметр основного исследуемого трубопровода. Исследования проводились для параметров, характерных при использовании в холодильной технике (массовая скорость юр = 50^130 кг/(с-м2), объемное па-росодержание ф = 0,1^0,9). Визуальное наблюдение при исследовании двухфазного потока при указанных параметрах выявило следующие режимы течения: снарядный, волновой, расслоенный, серповидный, кольцевой. Для всех режимов течения характерны значительные изменения при установке турбулизатора любого типа. На рис. 2 и 3 приведены данные для шестиканальной вставки-турбулизатора.
Данные, полученные в результате экспериментов по гидродинамике, обработаны и представлены в виде зависимостей падения давления на экспериментальном участке АР от объемного паросодержания ф при различных массовых скоростях юр и различных абсолютных s и относительных d/s шагах турбулизатора.
га
с
К
S
I
ш
§
(С
CZ
ш
S
I
ш
S
с
Объемное паросодержание
Рис. 2. Зависимость АР = /(ф) при различных значениях массовой скорости потока при шаге s = 1 000 мм ( d/s = 0,011 мм)
1 100
1 000
го с 900
of 800
X 0) ц 700
ш го 600
d
0) s 500
ф сг 400
го С 300
200
As = 1 000 (d/s = 0,011) xs = 750 (d/s = 0,0147) xs = 500(d/s = 0,022)
Ж
Рис. 3. Зависимость АР = Дф) при различных значениях относительного шага турбулизатора
(юр = 105 кг/(с • м2))
Анализ зависимостей показывает, что в исследуемом диапазоне с увеличением массовой скорости и объемного паросодержания величина падения давления на участке возрастает. Кроме того, видно, что при уменьшении шага турбулизатора сопротивление участка растет, причем степень влияния шага турбулизатора на сопротивление участка увеличивается с увеличением массовой скорости. При небольших массовых скоростях потока величина падения давления сказывается несущественно - она находится практически на одном уровне для всего диапазона изменения шагов 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 наблюдается скачок в повышении падения давления на исследуемом участке. Этот скачок наступает при ф = 0,7^0,75. Более выраженное увеличение сопротивления наблюдается при наличии турбулизатора.
При расслоенном режиме также происходит увеличение падения давления на участке. Турбулизатор в данном режиме течения «забрасывает» жидкость на стенки трубы, увеличивая тем самым смоченную поверхность, что приводит к интенсификации теплообмена.
Серповидный и кольцевой режимы течения характеризуются значительным возрастанием гидравлического сопротивления участка при наличии турбулизатора. При кольцевом режиме тур-булизатором создается наибольшее гидравлическое сопротивление по сравнению с гладкой трубой.
В ходе эксперимента проводилось сравнение двух предложенных конструкций турбулиза-торов: четырехканального (4к) и шестиканального (6к). Результаты представлены на рис. 4, 5.
2 000
1 800
1 600
га 1 400 с
к 1 200
“ 1 000
го
ч:
ш
800
600
I
0)
$ 400
200 0
Шаг 750 (с/в =0,0147) 6к Шаг 500 (С/в =0,022) 6к ♦ Шаг 750 (С/в =0,0147) 4к Шаг 500 (С/в =0,022) 4к Ж
X
и**
Рис. 4. Зависимость АР = /(ф) при значении массовой скорости потока 81 кг/(с • м ) для четырех- и шестиканального турбулизаторов
го
с
го
Ф
ГО
С
Рис. 5. Зависимость АР = /(ф) при значении массовой скорости потока 105 кг/(с • м ) для четырех- и шестиканального турбулизаторов
Из представленных зависимостей можно сделать следующие выводы:
— с увеличением количества каналов падение давления увеличивается;
— с увеличением относительного шага турбулизатора падение давления увеличивается;
— с увеличением паросодержания падение давления увеличивается.
Визуальные наблюдения дают следующую картину - использование шестиканального турбулизатора позволяет получить практически полностью смоченную внутреннюю поверхность трубы на меньшем расстоянии от входа на экспериментальный участок. Особенно наглядно это проявляется при расслоенном режиме движения жидкости, что позволяет сделать предположение: при дальнейшем исследовании теплоотдачи при наличии четырех- и шестиканальных турбулизаторов коэффициент теплоотдачи возрастет.
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. 345-349.
Статья поступила в редакцию 23.03.2009
RESEARCH
OF CHANGE OF TWO-PHASE FLOW HYDRODYNAMICS IN EVAPORATORS OF SHIP REFRIGERATORS
V. G. Bukin, O. V. Proshkin
The search of intensification methods of the boiling process in evaporators of refrigerators is being carried out to decrease mass-dimension parameters of heat exchange equipment. The process of boiling within a band six-channel turbulator, designed as a hexactinal star, is analyzed. The results of model experiment for hydrodynamics of two-phase flow are presented.
Key words: boiling, two-phase, flow, turbolator.
