CC BY
42
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070
УДК 536.4.033
А.С. Шамирзаев
к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
В.В. Кузнецов д.ф.-м.н., заведующий отделом ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Г. Новосибирск, Российская Федерация
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ В КОМПАКТНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
Аннотация
В работе приводятся экспериментальные данные при кипении и конденсации в условиях восходящего парожидкостного потока, полученные в элементе пластинчатого теплообменника с плотностью оребрения 800 ребер на метр, при массовых расходах менее 60 кг/м2с. В качестве рабочей жидкости использован хладон R21. Проведён сравнительный анализ данных, установлено, что основным механизмом теплообмена при кипении и конденсации в вертикальном микротеплообменнике является испарение и конденсация на тонких плёнках.
Ключевые слова
Компактные теплообменники, кипение, конденсация.
Введение.
Компактные пластинчато-ребристые испарители-конденсаторы широко используются в холодильной и криогенной промышленности из-за их высокой тепловой производительности и способности передавать значительные тепловые потоки при малом температурном напоре. Они могут использоваться также в химических технологиях и абсорбционных тепловых насосах [1]. Обычно производители используют в пластинчато-ребристых испарителях-конденсаторах спаянные плоские, перфорированные и смещенные ребра.
Теплообмен при кипении жидкого азота и хладона R-11 в условиях вынужденного течения в испарителе с перфорированными и смещенными ребрами экспериментально изучен в [2, 4]. Теплообмен при конденсации в компактном теплообменнике с плоскими ребрами рассмотрен в [3]. В этих работах получено, что двухфазная вынужденная конвекция является определяющим механизмом теплообмена при массовых скоростях больше 70 кг/м2с.
Целью данной работы является сравнительный анализ теплообмена при кипении и конденсации хладона R-21 в элементе пластинчато-ребристого испарителя-конденсатора, изготовленного по технологии вакуумной пайки, в условиях восходящего течения в диапазоне массовой скорости от 20 до 50 кг/м2с, который является типичными для современной промышленности, но слабо изучен. Применение хладона R-21 в экспериментах обусловлено тем, что его физические свойства в условиях проведенных экспериментов близки к физическим свойствам жидкого азота и полученные данные могут быть использованы для расчета криогенных компактных теплообменников.
Методика проведения экспериментов.
Исследование теплообмена при кипении и конденсации хладона R-21 в условиях восходящего течения проведено с использованием теплообменного участка, показанного на рисунке 1. При проведении экспериментов был использован вертикальный микротеплообменник размером 6.7х70х279 мм с нижней подачей фреона. Конструкция входного коллектора обеспечивала равномерное распределение жидкости и пара на входе в участок, который изготовлен по технологии вакуумной пайки формованной алюминиевой
пластины со стенкой теплообменника толщиной 3 мм и имел плотность ребер 800 ребер на метр. Охлажденный хладон Я-21 из конденсатора подавался центробежным насосом в предварительный парогенератор, который использован для получения начального паросодержания на входе в рабочий участок.
,---. Г^С I ььи
( Т) г
1121 выход
термопара
вода вход
©
медная пластина
водный
теплообменник
Пельтье модуль
v
©
вода выход
Ы21 вход
Рисунок 1 - Схема экспериментального участка
На выходе рабочего участка расположен доиспаритель жидкости обеспечивающий подавление пульсаций давления в линии, соединяющей рабочий участок с конденсатором.
Коэффициент теплоотдачи к вычисляется с учетом тепловой эффективности поверхности теплообмена
Здесь Qfr есть количество тепла, подведенное к стенке теплообменника, г^ есть коэффициент эффективности ребра, А1 и Ао - поверхность ребра и полная внутренняя поверхность теплообменника. Внутренняя температура стенки Тш определена по средней измеренной температуре на внешней поверхности теплообменника и градиенту температуры в стенке определяемому по величине теплового потока через стенку и Tsat есть температура насыщения. Для измерения температуры внешней поверхности теплообменника на его поверхности в канавках зачеканены 12 термопар; 6 на одной стороне и 6 на другой стороне участка. В боковой стенке теплообменника просверлены три отверстия для измерения статического давления (в центре рабочего участка) и перепада давления. Десять термоэлектрических модулей Пельтье и две выравнивающие температуру медные пластины используются для нагревания или охлаждения теплообменного участка, рисунок 1. Внешние водные теплообменники, соединенные с модулями Пельтье термопастой КПТ-8, осуществляют снятие тепла с элементов Пельтье для поддержания разности температур между холодной и горячей сторонами элементов Пельтье. Среднеквадратичное отклонение средней температуры стенки для всех термопар не превышало 0.1 0С.
На рисунке 2 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении в условиях вынужденного течения от среднего массового паросодержания в теплообменнике с гладкими ребрами при массовой скорости 20 до 50 кг/м2с. Данные получены при давлении 1.8 бар. Измеренные температурные напоры на стенке теплообменника в опытах изменялись от 0.9 0С до 3 0С.
Данные на рисунке 2 показывают, что коэффициент теплоотдачи при кипении практически не изменяется при изменении массового паросодержания от 0.1 до 0.9, а при больших его значениях начинает уменьшаться, что показывает ухудшение теплообмена вблизи полного испарения жидкости.
(1)
Результаты и обсуждение.
2.5
а, кВт/м2К 2
1.5
1
0.5 0
aaV Ä 4 дА ш® üb qfb пъп\п А
[а □
Д20 кг/м2с □ 50 кг/м2с
0.2
0.4
0.6
паросодержание
0.8
Рисунок 2 - Коэффициент теплопередачи при кипении в зависимости от массового паросодержания для
восходящего течения хладона К21
0
1
В этих условиях, наиболее вероятным механизмом теплообмена является испарение тонкой искривленной капиллярными силами пленки жидкости, что было показано ранее в [1] для опускного парожидкостного течения в пластинчато-ребристом теплообменнике. Действительно уменьшение массовой скорости с 50 кг/м2с до 20 кг/м2с приводит к увеличению коэффициентов теплоотдачи на 15%. При массовой скорости 50 кг/м2с и паросодержании ниже 0.1 в каналах формируется снарядный режим течения с длинными жидкими перемычками, что приводит к уменьшению коэффициентов теплоотдачи с уменьшением паросодержания.
На рис. 3 приведена зависимость коэффициента теплопередачи от массового паросодержания при конденсации для массовой скорости 20 и 50 кг/м2с. Данные для конденсации также получены при давлении 1.8 бар. Как видно, коэффициент теплоотдачи для массовой скорости 20 кг/м2с заметно меньше, чем для массовой скорости 50 кг/м2с, что связано с возникновением крупномасштабных структур, вызванных стеканием конденсата под действием силы тяжести, что уменьшает величину коэффициента теплоотдачи. Это показывает значительная неравномерность температуры стенки в сечении теплообменника при малой массовой скорости.
2.5
а, кВт/м2К 2 ■
1.5 ■ 1 ■ 0.5 ^ 0 -
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
паросодержание
Рисунок 3 - Коэффициент теплопередачи при конденсации в зависимости от массового паросодержания
для массовой скорости 20, 30 и 50 кг/м2с
д20 кг/м2с
□ 50
л
кг/м2с
□
□
iА Ä
А
□
А
□
□
А
Заключение
Полученные данные устанавливают механизм теплообмена при кипении и конденсации в вертикальном микротеплообменнике и определяют величину массовой скорости, при которой возникают крупномасштабные структуры, снижающие эффективность процессов теплообмена при конденсации восходящего парожидкостного потока.
Работа выполнена в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект РНФ № 14-4900010).
Список использованной литературы:
1. Nakoryakov, V.E., Misyura, S.Ya., Elistratov, S.L. and Dekhtyar, R.A. Two-phase nonisothermal flows of LiBr water solution in minichannels // J. Eng. Thermophys-Rus., 2014, V. 23, No. 4, P. 257-263.
2. Robertson, J.M. The boiling characteristics of perforated plate-fin channels with liquid nitrogen in upflow // Heat Exchangers for Two-Phase Applications, Proc. Of the ASME Heat Transfer Division, 1983, V. 10, P. 35-40.
3. Robertson, J. M., Blundell, N. and Clarke, R. H. The condensing characteristics of nitrogen in plain brazed aluminum plate-fin heat exchanger passages // Proc. IIth Int. Heat Transfer Conference, 1986, V. 4, P. 1719-1724.
4. Robertson, J.M. and Lovegrove, P.C. Boiling heat transfer with Freon 11 (R11) in brazed aluminum plate-fin heat exchangers // J. Heat Transfer, 1983, V. 105, P. 605-610.
© Шамирзаев А.С., 2016
УДК62
А.С. Шерешик
Магистрант 2 курса факультета холодильной, криогенной техники и кондиционирования
Университет ИТМО Научный руководитель: К.Н. Войнов Д.т.н., профессор кафедры «Инженерное проектирование»
Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДГЕЗИИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДИНАМИКЕ РАБОТЫ
МЕХАНИЗМОВ, МАШИН И ПРИБОРОВ
Адгезия (прилипчивость) - важный показатель эффективности применяемых смазочных материалов, которые используются в самых различных механизмах, машинах и приборах, включая и холодильную технику, компрессоры и др. Разработаны способы подачи смазок в подвижные сопряжения, но контроль в динамике адгезии не был решён [1, с. 100].
Смазки имеют свои положительные и отрицательные стороны: их нужно изготавливать, хранить, они должны эффективно разделять тонким слоем поверхности трения, не быть канцерогенными, пожароопасными, не создавать повышенных напряжений в поверхностных слоях материалов деталей и др. [2, с. 32]. Достоинства смазочных материалов следующие: уменьшают силы трения, снижают интенсивность изнашивания пар трения, препятствуют росту температуры, снижают шум подвижного зацепления/соединения [3, с. 176].
В данной работе мы останавливаем внимание читателей на двух созданных измерительных приборах для контроля адгезии пластичных и жидких смазок различного назначения (рис. 1 и рис. 2), с помощью которых можно осуществлять диагностику смазок в работе/динамике [4, с. 99-101].
