CC BY
11
УДК 536.248.2
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСАЦИИ ХЛАДАГЕНТА R-21 В УСЛОВИЯХ ОПУСКНОГО ТЕЧЕНИЯ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
Алишер Сезгирович Шамирзаев
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)316-57-31, e-mail: alisham@ngs.ru
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена при конденсации хладагента R-21 в условиях опускного течения в вертикальном микроструктурированном теплообменнике, образованном системой миниканалов. Проведен сравнительный анализ теплоотдачи при конденсации для двух массовых скоростей, получено хорошее соответствие экспериментальных данных и расчета по методике, учитывающей влияние напряжение трения в турбулентном потоке газа на теплоотдачу при конденсации.
Ключевые слова: теплообмен, микроструктурированный теплообменник, миниканал, конденсация, хладон R-21.
THERMOPHYSICAL STUDY OF HEAT TRANSFER DURING DOWNFLOW CONDENSATION REFRIGERANT R-21 IN MICROSTRUCTURED HEAT EXCHANGER
Alisher S. Shamirzaev
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)316-57-31, e-mail: alisham@ngs.ru
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Head of Laboratory of Multiphase Systems, phone: (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
The results of experimental study of the heat transfer with condensing of refrigerant R-21 under the descending flow in the vertical micro heat exchanger with minichannels were presented. Using multipoint wall temperature and local heat flux measurements the comparative analysis of the heat transfer with condensation at different mass fluxes was done. Good agreement between experimental data and calculations which take into account the friction stress influence at turbulent gas flow on condensation heat transfer were obtained.
Key words: heat transfer, microstructured heat exchanger, minichannel, condensation, refrigerant R-21.
Компактные двухфазные пластинчатые теплообменники, использующие теплоту фазового перехода, имеют высокую тепловую производительность
и широко используются в холодильной и криогенной промышленности. Они также применимы для использования в химических технологиях и абсорбционных тепловых насосах [1]. Стандартные пластинчатые теплообменники состоят из спаянных плоских, перфорированных и смещенных ребер.
В компактных теплообменниках размеры каналов сравнимы с капиллярной постоянной и капиллярные силы оказываются существенными в условиях па-рожидкостных течений. Влияние капиллярных сил на гидродинамику течения и теплообмен слабо изучены [2]. Отличительной особенностью компактных теплообменников является высокая удельная поверхность теплообмена на единицу объёма теплообменника. Структурирование теплообменной поверхности позволяет интенсифицировать теплоотдачу. Теплоотдача при конденсации в каналах малого размера рассмотрена в [3-7], где показана высокая эффективность таких каналов в теплообменных системах. В то же время данные работы показывают отсутствие универсальных методов расчета теплообмена при фазовом переходе в стеснённых условиях. Целью данной работы является исследование механизмов конденсации хладагента Я-21 в элементе пластинчато-ребристого микроструктурированного теплообменника, в условиях опускного течения при малом тепловом потоке, что является типичными для многих практических приложений.
Измерения теплоотдачи при конденсации при нисходящем течении хладагента Я-21 проведено при массовой скорости 30 и 40 кг/м с. Эксперименты проведены на теплообменном участке, представленном на рис. 1.
Рис. 1. Схема теплообменного участка 188
В экспериментах использовался вертикальный микротеплообменник прямоугольного сечения размером 6.7х70х279 мм с верхней подачей хладагента. На входе в теплообменник было организовано равномерное распределение жидкости и пара. Экспериментальный участок изготовлен методом вакуумной пайки формованного перфорированного алюминиевого листа со стенками теплообменника толщиной 3 мм и имел плотность ребер 800 ребер на метр. Предварительный парогенератор использовался для достижения желаемого начального паросодержания на входе в рабочий участок. На выходе из рабочего участка располагался доиспаритель жидкости для подавления пульсаций давления в трубопроводе, соединяющем экспериментальную секцию с основным конденсатором.
Коэффициент теплоотдачи к вычисляется с учетом тепловой эффективности поверхности теплообмена щ0 = 1 ~{Л1/Л0 )(1 -щ) следующим образом:
<2 г = АщюИ(тм,- ).
Здесь - количество тепла, подведенное к стенке теплообменника, щ -эффективность ребра, Л1 и Л0 - площадь ребер и полная внутренняя площадь тестовой секции. Средняя внутренняя температура стенки Тщ определена по измеренным температурам стенки теплообменника с учетом градиента температуры стенки. Температура насыщения Т8аь определялась по измеренному давлению. Внешняя температура стенки определялась многоточечным измерением температуры поверхности по данным 12 термопар; по 6 штук на каждой стенке участка. В боковой стенке теплообменника располагаются отверстия для измерения статического давления, середине теплообменника, и перепада давления, около входа и выхода. Термоэлектрические модули Пельтье и выравнивающие температуру медные пластины обеспечивают охлаждение экспериментального теплообменника, рис. 1. Водные теплообменники обеспечивают охлаждение и термостабилизацию элементов Пельтье. Количество тепла снятого с элементов Пельтье определялось по расходу и изменению температуры охлаждающей воды. В ходе экспериментов среднеквадратичное отклонение средней температуры стенки для всех термопар не превосходило 0.10С.
Карта режимов течения, приведенная в работе [8] показывает наличие в каналах микроструктурированного перфорированного теплообменника переходного течения с жидкими пробками, чередующегося переходного течения и течения жидкости в менисках в углах каналов с не смоченными ребрами теплообменника. На рис. 2 приведена зависимость теплоотдачи при конденсации от числа Рейнольдса пара, определенного по среднему паросодержанию теплообменнике х. Экспериментальные данные получены при средней температуре насыщения 24 0С. Данные представленные на рис. 2 показывают, что в рассмотренных условиях коэффициент теплоотдачи при конденсации слабо зависит от паросодержания (скорости пара) и массовой скорости при числе Рейнольдса пара менее 4000. В этих условиях пленочная конденсация пара на
тонкой искривленном капиллярными силами пленке жидкости определяет теплоотдачу, что и было предложено ранее в [2]. Когда число Рейнольдса пара более 4000 увеличение скорости пара приводит к увеличению теплоотдачи. Уменьшение массовой скорости жидкости так же приводит к увеличению теплоотдачи.
Ми
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
° О
•о® О*
о оо
о
о
о
О О
о
&
о
О [кг/м2с]
О 30 О 40
2000
4000
6000 8000 Рву
Рис. 2. Зависимость числа Нусельта от числа Рейнольдса
2
при конденсации пара для массовой скорости О = 30 и 40 кг/м с
0
На рис. 3 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи при конденсации от среднего паросодержания в рабочем участке для массовой скорости О = 30 кг/м с. Коэффициент теплоотдачи мало изменяется в диапазоне паросо-держаний от 0.05 до 0.6 и затем возрастает с ростом паросодержания. Линией на рис. 3 показан расчет коэффициента теплоотдачи в зависимости от массового паросодержания, выполненный по методике, предложенной в [9].
В расчетах было использовано уравнение для расчета толщины пленки жидкости в турбулентном потоке пара и коэффициента теплоотдачи. Для нахождения трения на межфазной поверхности применялся подход [10]. После проведения расчетов локальных коэффициентов теплоотдачи, они усреднялись по длине рабочего участка. Как видно, предлагаемая методика расчета коэффициента теплоотдачи хорошо соответствует экспериментальным данным.
Предложенный подход для расчёта коэффициентов теплоотдачи, показывает хорошее соответствие результатов расчета и эксперимента, и может быть использован для расчета теплообмена в промышленных конденсаторах и установках сжижения природного газа.
3 Г
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от массового паросодержания при конденсации для массовой скорости 30 кг/м2с. Точки соответствуют экспериментальным данным, линия соответствует расчету
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Nakoryakov V. E. et al. Two-phase nonisothermal flows of LiBr water solution in minichannels //Journal of Engineering Thermophysics. - 2014. - Т. 23. - №. 4. - С. 257-263.
2.Kuznetsov V.V. Heat and Mass Transfer with Phase Change and Chemical Reactions in Microscale // Proc. 14 Int. Heat Transfer Conf. Washington: ASME. - 2010. - Keynote 22570.
3. Thome J. R., El Hajal J., Cavallini A. Condensation in horizontal tubes, part 2: new heat transfer model based on flow regimes //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2003. -Т. 46. - №. 18. - С. 3365-3387.
4. Cavallini A. et al. Condensation heat transfer and pressure gradient inside multiport minichannels //Heat transfer engineering. - 2005. - Т. 26. - №. 3. - С. 45-55.
5. Kim S. M., Mudawar I. Flow condensation in parallel micro-channels-Part 2: Heat transfer results and correlation technique //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2012. -Т. 55. - №. 4. - С. 984-994.
6. Kim S. M., Mudawar I. Theoretical model for annular flow condensation in rectangular micro-channels //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2012. - Т. 55. - №. 4. -С. 958-970.
7. Al-Zaidi A. H., Mahmoud M. M., Karayiannis T. G. Condensation flow patterns and heat transfer in horizontal microchannels // Experimental Thermal and Fluid Science. - 2018. - Т. 90. -С.153-173.
8. Шамирзаев А. С., Кузнецов В. В. Теплофизические исследования процесса испарения жидкости при опускном течении в микроструктурированном теплообменнике // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2017» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 168-172.
9. Butterworth D. An analysis of film flow and its application to condensation in a horizontal tube // International Journal of Multiphase Flow. - 1974. - Т. 1. - №. 5. - С. 671-682.
10. Asali J. C., Hanratty T. J., Andreussi P. Interfacial drag and film height for vertical annular flow //AIChE Journal. - 1985. - Т. 31. - №. 6. - С. 895-902.
REFERENCES
1. Nakoryakov V. E. et al. (2014) Two-phase nonisothermal flows of LiBr water solution in minichannels, Journal of Engineering Thermophysics, 23(4), 257-263.
2.Kuznetsov V.V. (2010) Heat and Mass Transfer with Phase Change and Chemical Reactions in Microscale, Proc. 14 Int. Heat Transfer Conf. Washington: ASME. Keynote 22570.
3. Thome J. R., El Hajal J., Cavallini A. (2003) Condensation in horizontal tubes, part 2: new heat transfer model based on flow regimes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 46 (18), 3365-3387.
4. Cavallini A. et al. (2005) Condensation heat transfer and pressure gradient inside multiport minichannels, Heat transfer engineering, 26(3), 45-55.
5. Kim S. M., Mudawar I.(2012) Flow condensation in parallel micro-channels-Part 2: Heat transfer results and correlation technique, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55(4), 984-994.
6. Kim S. M., Mudawar I.(2012) Theoretical model for annular flow condensation in rectangular micro-channels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55(4), 958-970.
7. Al-Zaidi A. H., Mahmoud M. M., Karayiannis T. G. (2018) Condensation flow patterns and heat transfer in horizontal microchannels, Experimental Thermal and Fluid Science, 90, 153-173.
8. Shamirzaev A.S., Kuznetsov V.V. (2017) Thermophysical study of phase change evaporation during downflow in microstuctured heat exchanger, Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2017: International Scientific Conference: Vol. 1. Sib0ptics-2017 (pp. 168-172). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
9. Butterworth D. (1974) An analysis of film flow and its application to condensation in a horizontal tube, International Journal of Multiphase Flow, 1(5), 671-682.
10. Asali J. C., Hanratty T. J., Andreussi P. (1985) Interfacial drag and film height for vertical annular flow, AIChE Journal, 31(6), 895-902.
© А. С. Шамирзаев, В. В. Кузнецов, 2018
