CC BY
46
УДК 538.244:532.539.5
А. В. Ежов, В. Г. Букин, А. Ю. Кузьмин
ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ТЕПЛООБМЕНУ ПРИ КИПЕНИИ СМЕСЕВЫ1Х ХЛАДАГЕНТОВ С МАСЛОМ В ИСПАРИТЕЛЯХ СУДОВЫ1Х ХОЛОДИЛЬНЫК МАШИН
В судовых холодильных установках используются различные теплообменные аппараты с внутритрубным кипением холодильного агента. При кипении чистых фреонов по мере движения потока в трубе происходит выкипание жидкости. Верхняя часть трубы заполняется паром, теплоотдача к которому значительно меньше, чем к жидкости. Уменьшается часть трубы, омываемая жидкостью, и при переходе к волновому и расслоенному режиму скорость движения жидкости возрастает, поэтому вклад пузырькового кипения в теплоотдачу уменьшается, а конвективная составляющая увеличивается.
Смесь фреона с маслом является многокомпонентной, т. к. минеральные масла состоят из углеводородов с примесью сложных органических соединений. Добавка масла к холодильному агенту изменяет его теплофизические свойства, при этом повышается вязкость, уменьшается коэффициент теплопроводности, увеличивается коэффициент поверхностного натяжения, изменяются и другие свойства. Это приводит к изменениям в условиях образования роста и паровых пузырей. Интенсивность теплоотдачи внутри труб во многом зависит от гидродинамики течения парожидкостной смеси.
Анализ зависимостей коэффициента теплоотдачи от режимных параметров (массовый расход, паросодержание, тепловая нагрузка) и концентрации масла показал, что с увеличением этих величин коэффициент теплоотдачи растет.
Нужно отметить, что при использовании термина «концентрация масла» необходимо иметь в виду количество масла, растворенного в жидком холодильном агенте, на входе в экспериментальную трубу. Однако по мере движения фреономасляной смеси по экспериментальному участку концентрация масла будет увеличиваться за счет выкипания холодильного агента из смеси. Таким образом, понятие «концентрация масла» можно считать относительным, т. к. применительно к выпарным аппаратам ее величина переменна по длине теплообменных труб, а потому анализ влияния концентрации масла на коэффициент теплоотдачи необходимо производить комплексно - с учетом всех режимных параметров, влияющих на интенсивность парообразования.
Результаты такого анализа представлены на рис. 1. На графике показана зависимость относительного увеличения коэффициента теплоотдачи смеси холодильного агента К22/Я142Ь(40/60) с маслом ам по сравнению с чистым смесевым хладагентом а от реальной концентрации масла, рассчитанной в каждом сечении в соответствии с имеющими место режимными параметрами. Из рисунка видно, что концентрация масла меняется от 0 до 70 %, что соответствует течению холодильного агента в случае его значительного выкипания.
Т екущая концентрация масла
Рис. 1. Зависимость относительного увеличения коэффициента теплоотдачи от реальной концентрации масла (расход 80 кг/(м2 • с), тепловая нагрузка q = 7 кВт/м2)
Очевидно, что при заданных режимных параметрах (расход 80 кг/(м2 • с), тепловая нагрузка q = 7 кВт/м2) наличие масла в небольшом количестве - до 9 % (имеется в виду реальная концентрация, т. е. содержание масла в жидкой фазе) приводит к сравнительно большому росту коэффициента теплоотдачи при кипении смеси хладагента с маслом по отношению к аналогичному параметру, но при отсутствии масла. Эта область характерна для расслоенного режима течения, при котором, как уже отмечалось ранее, наличие масла существенно увеличивает смоченную поверхность и интенсифицирует теплообмен.
При дальнейшем повышении концентрации растворенного масла вследствие выкипания смесевого хладагента наблюдается плавное ухудшение теплообменных характеристик смеси хладагента с маслом вплоть до Хм = 70 %, когда отношение Ом/Очист достигает значения 0,3, т. е. интенсивность теплообмена при наличии масла уменьшается в 3 раза.
Как показали исследования, характер влияния масла на теплоотдачу достаточно сложен, но в аппаратах судовых холодильных машин с внутритрубным кипением холодильного агента максимальный диапазон изменения Хм = 0,3^68 %. Из этого диапазона наиболее интересной областью является диапазон 1,2^11 %, который характерен для расслоенного режима течения. В этом диапазоне изменения концентрации масла получена зависимость, отражающая влияние масла на теплообмен. В результате обработки экспериментальных данных по кипению смеси холодильного агента с маслом была предложена зависимость для определения коэффициента теплоотдачи при наличии в трубе наиболее характерного для работы аппаратов судовых холодильных машин и систем кондиционирования воздуха расслоенного режима течения:
Ом =°-км , (1)
где О - коэффициент теплоотдачи при кипении чистого хладагента без масла при расслоенном режиме течения, Вт/(м2 • К); ом - коэффициент теплоотдачи при кипении смеси хладагента с маслом при расслоенном режиме течения, Вт/(м2 • К). Для кипящей жидкости коэффициент теплоотдачи О определяется двумя основными составляющими: конвективной Ок0нв и составляющей кипения в большом объеме Об.о. Такой достаточно сложный характер теплообмена может быть описан методикой, предложенной С. С. Кутателадзе [1]:
а б.о
а
V конв У
(2)
Показатель степени в выражении (2) для неазеотропных смесевых холодильных агентов (коим является исследуемый холодильный агент К22/142Ь (40/60)), согласно данным [2], равен 3. Здесь:
0,021 -ЯЛ и 0,8 С Рг
V'0 37 • а'°,43 • й°,2
Л
0,25
ст
Рг
V ж
- для турбулентного течения [3]; (3)
а
0,033 • Я' • и 0,5 С Рг
конв п'0,17 • а'0,43 • й 0,5
Л
0,25
ст
Рг
V ж у
- для ламинарного течения [3];
н\ у 0,375
аб.о =Я'л/^(Р0ГР ) • 4,6 • 10 -6 • Кр0’25 • Ре0’7 • К{0’473 • 1 + 2°38 ^1Д [2]. (4)
Влияние масла в уравнении (1) учитывается поправочным коэффициентом км, который, в свою очередь, зависит от концентрации масла в смеси, теплового потока и давления кипения. Обработка экспериментальных данных позволила получить уравнение зависимости коэффициента км от перечисленных параметров:
км = 0,148 -Хм0,0%°,°46 • Ро°,23 . (5)
п
а
^конв
Уравнение (5) позволяет определять интенсивность теплообмена при кипении смеси хладагента с маслом внутри труб аппаратов судовых холодильных машин, если известны режимные параметры протекания процесса. Расчет показал, что в области изменения режимных параметров, характерных для судовой холодильной техники, расслоенный режим течения будет наблюдаться на 70^80 % длины труб. Этой областью ограничивается область применения зависимости (3). На остальной части труб можно пользоваться уравнением, выведенным для участка, который характеризуется концентрацией масла свыше 11 %:
1 пи ^ -0,3 0,058 п 0,23
км = 0,11-Хм -д ’ • Ро . (6)
На рис. 2 представлен график изменения концентрации масла по длине трубы при различных входных концентрациях. Из рисунка хорошо видно, что изменение концентрации масла идет неравномерно. На большей (начальной) части трубы концентрация растет достаточно медленно и постепенно, в то время как на концевом участке трубы Хм начинает повышаться резко.
Длина трубы, м Рис. 2. Изменение концентрации масла по длине трубы
Практически на всей длине трубы концентрация масла не превышает 11 % и лишь на последних 20 % длины трубы концентрация масла за счет резкого роста начинает превышать этот показатель. Эта закономерность позволяет рекомендовать использовать для расчета интенсивности теплообмена при кипении смесевого хладагента с маслом формулу (5) на первом участке (на длине составляющей 80 % от общей протяженности труб), а на втором участке (составляющем меньше 20 % от общей протяженности труб) - формулу (6).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. - Новосибирск: Наука, 1970. - 660 с.
2. Данилова Г. Н., Букин В. Г., Шуршев В. Ф. Теплоотдача при кипении неазеотропных смесей холодильных агентов внутри горизонтальных труб // Тр. второй Рос. нац. конф. по теплообмену. -М., 1998. - Т. 4. - С. 82-87.
3. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Минеев Ю. В. Обобщение экспериментальных данных по гидродинамике и теплообмену при вынужденном движении двухфазного потока в трубах с ленточным турбулизато-ром // Материалы нац. конф. по теплоэнергетике. НКТЭ-2006. - Казань, 2006. - С. 172-176.
Статья поступила в редакцию 19.03.2009
GENERALIZATION OF EXPERIMENTAL DATA ON HEAT EXCHANGE AT BOILING OF MIX REFRIGERANTS WITH OIL IN EVAPORATER OF SHIPS REFRIGERATION INSTALATION
A. V. Ezhov, V. G. Bukin, A. Yu. Kuzmin
The experimental research of heat emission and hydrodynamics at boiling of mix refrigerants in horizontal pipes and of their applicability for retrofit is made. The results of processing of experimental data allow estimating the degree of applicability of refrigerant as a substitute of the traditional widely widespread working substances. These data are compared with the results of calculations in relation with known dependences. The theoretical and experimental analysis of refrigeration work at replacement of ozone destructing refrigerants to alternative ones helped to draw the conclusion, that in this case the investigated mix can be considered as the most expedient substitute which has thermodynamic properties identical to replaceable refrigerant and does not need change of refrigerating machine design.
Key words: heat exchange, refrigerant, ship refrigeration machine.
