close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Закономерности динамики двухфазных потоков и теплообмена при кипении хладагента R134a в микроканалах.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ХОВАЛЫГ ДОЛААНА МААДЫР-ООЛОВНА
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИНАМИКИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ
И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТА R134а
В МИКРОКАНАЛАХ
Специальность 01.04.14. - Теплофизика и теоретическая теплотехника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2013
2
Работа выполнена в федеральном бюджетном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики» (Институт Холода и Биотехнологий).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
Бараненко Александр Владимирович
Официальные оппоненты:
Фёдоров Александр Валентинович,
доктор технических наук,
зам. директора ВНИИЖ
Малышев Александр Александрович,
кандидат технических наук,
заведующий кафедрой холодильных машин
и низкопотенциальной энергетики
ИХиБТ НИУ ИТМО
Ведущая организация:
Защита состоится
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский
государственный политехнический
университет»
«18» декабря 2013 г. в 14 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.227.08 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики» по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9,
тел./факс: (812) 315-30-15
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «15» ноября 2013г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.227.08
Рыков Владимир Алексеевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертационная работа посвящена изучению особенностей процессов при
кипении хладагента R134a в микроканале гидравлическим диаметром 538 мкм,
исследованиям
характеристик
теплообмена,
падения
давления
и
неустойчивостей при движении двухфазного потока R134a в микроканалах.
Актуальность работы. Основным трендом развития техники низких
температур является повышение энергетической эффективности и снижение
воздействия на окружающую среду. Эти показатели, в частности, могут быть
достигнуты интенсификацией теплообмена в аппаратах и снижением объема
заправки рабочего вещества в систему. Как известно, около 60% хладагента в
холодильном цикле сконцентрировано в теплообменных аппаратах, именно
поэтому повышение компактности теплообменников одновременно с
увеличением
теплообменной
поверхности
и
интенсификацией
тепломассопереноса является одной из актуальнейших задач в холодильной
технике.
Безусловными преимуществами теплообменников с малыми каналами, по
сравнению с традиционными теплообменниками с “макроканалами”, являются
большая компактность за счет значительного увеличения поверхности
теплообмена на единицу объема, способность выдерживать высокие рабочие
давления, меньшая материалоемкость, меньший объем заправки рабочего
вещества, а так же более высокие показатели коэффициента теплоотдачи при
одинаковых условиях.
Хладагент R134a является озонобезопасным, стандартным и наиболее
распространенным рабочим веществом для коммерческого и бытового
холодильного оборудования и, согласно Киотскому протоколу, разрешен к
использованию до 2030-го года. Таким образом, хладагент R134a относится к
перспективным рабочим веществам для исследования в микроканальных
теплообменниках нового поколения.
Подробное изучение теплообменников с малыми каналами началось в
1990-х годах и с каждым годом количество как экспериментальных, так и
теоретических работ в этой области неукоснительно растет. Сложный процесс
кипения в микроканалах ранее рассматривался в основном только как метод
охлаждения в микроэлектронике, в криогенной технике и в малых топливных
системах. Изучение возможности применения микроканалов в области
умеренного холода и в кондиционировании стало актуальным направлением в
последние годы.
Задача оптимального выбора размера микроканала, который может
обеспечить оптимальные соотношения между эффективностью теплообмена и
гидравлическими потерями в области эксплуатации промышленного
холодильного оборудования, а так же разработка расчетных соотношений по
теплообмену в таких каналах являются открытыми задачами в теплофизике.
При этом анализ теплообменных показателей необходимо рассматривать с
учетом возможных неустойчивых процессов, которые могут возникнуть во
время эксплуатации оборудования.
4
Таким образом, изучение особенностей процесса кипения хладагентов в
микроканалах и разработка инженерных методик для расчёта теплоотдачи и
гидравлического сопротивления являются важными и необходимыми
условиями для создания микроканальных испарителей и их внедрения в
промышленность. Это обусловливает актуальность данной работы.
Целью работы является изучение особенностей динамики двухфазного
потока и кипения хладагента R134a в микроканале размером порядка 500 мкм,
анализ зависимостей неустойчивостей, интенсивности теплообмена и градиента
давления от параметров процесса, определение области устойчивой работы
микроканального испарителя.
Задачи исследования: В соответствии с поставленной целью решались
следующие задачи:
1. Проведение
экспериментальных
исследований
по
изучению
характеристик теплообмена, потерь давления и неустойчивостей в
микроканале;
2. Определение карты режимов кипения хладагента;
3. Исследование
экспериментальных
зависимостей
коэффициента
теплоотдачи и градиента давления от параметров процесса кипения;
4. Сравнение экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи с
расчетными
данными
по
существующим
аналитическим
и
полуэмпирическим методикам;
5. Разработка соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи,
применимого для условий работы испарителей холодильных машин;
6. Сравнение экспериментальных значений градиента давления с
рассчитанными данными по существующим методикам, анализ
применимости методик;
7. Исследование неустойчивостей при кипении хладагента в микроканале,
определение типов неустойчивостей и объяснение причин их вызывающих:
8. Определение областей устойчивого процесса кипения в микроканале.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
1. Результаты анализа режимов кипения хладагента R134а в прямоугольном
микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;
2. Расчётные зависимости по определению коэффициента теплоотдачи при
кипении хладагента R134a в микроканалах гидравлическим диаметром
порядка 500 мкм в области паросодержаний 0...0,5, в диапазоне массового
расхода 0...700 кг/(м2с) и в диапазоне температур насыщения хладагента
-5....+30оС:
3. Результаты анализа сравнения расчетных методик по определению
градиента давления при кипении хладагента R134а в прямоугольном
микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;
4. Результаты исследования неустойчивостей и определение области
устойчивого кипения хладгента R134а в прямоугольном микроканале
порядка 500 мкм.
5
Научная новизна: Получены новые экспериментальные данные по
коэффициенту теплоотдачи и потерям давления при кипении хладагента R134a
в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром (Dh) 538 мкм, в
диапазоне массовых расходов 105… 634 кг/(м2с) и в диапазоне массовых
паросодержаний 0...0,5. По результатам обработки экспериментальных данных
предложены новые расчетные соотношения для определения коэффициента
теплоотдачи, рекомендуемые для расчетов испарителей на R134a с
микроканалами Dh порядка 500 мкм.
На основе анализа результатов экспериментальных исследований даны
рекомендации по расчету градиента давления в микроканалах с Dh ≈ 500 мкм.
Определена область устойчивого кипения R134a в микроканалах с Dh ≈
500 мкм на основании исследования неустойчивостей в виде периодически
возникающих колебаний давления, массового расхода, температуры и реверса
потока.
Практическая ценность: Научные результаты диссертационной работы
используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по
направлениям «Ядерная энергетика и теплофизика», «Холодильная, криогенная
техника и системы жизнеобеспечения», «Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов» в Институте холода и биотехнологий
НИУ ИТМО. Полученные экспериментальные данные и предложенные
зависимости рекомендованы для проектирования компактных микроканальных
испарителей для R134a.
Личный вклад автора: проектирование и сборка экспериментального
стенда, разработка методики проведения эксперимента, проведение
экспериментов, анализ полученных данных и разработка расчетных
соотношений.
Апробация работы и публикации: Материалы по теме диссертационной
работы изложены в 4 печатных трудах, 3 из них опубликованы в изданиях,
рекомендованных ВАК РФ. Основные результаты данной работы
докладывались на международных научных конференциях и семинарах в
Университете Штата Иллинойс в Урбане-Шампейн (США) (2012, 2013 г.), на
ежегодных конференциях научно-педагогических работников СПГУНиПТ и
НИУ ИТМО (2011-2013 гг.) и на VI Международной научно-технической
конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» в НИУ
ИТМО (2013 г).
Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов,
приложения, списка литературы и содержит 121 страниц машинописного
текста, 19 страниц приложений, 56 рисунков, 11 таблиц и 58 формул. Список
литературы включает 125 наименования, в том числе зарубежных авторов 88.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении работы обоснована актуальность темы, сформулированы цели
и задачи работы.
Проведен анализ исследования процессов течения и теплообмена в
микроканалах на основе обзора научной литературы. Сформулировано
определение малых каналов и перечислены основные отличительные
характеристики поведения потока вещества в малых каналах. Определено
состояние и перспективы применения микроканальных теплообменников.
Описаны особенности теплообмена, потерь давления, а так же неустойчивости
двухфазного потока при кипении хладагентов в малых каналах. Сделаны
выводы по литературному обзору и сформулированы задачи исследования.
Экспериментальный стенд (Рисунок 1) был спроектирован и смонтирован
на базе Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампейн (США). Стенд
состоит из: линий подвода и отвода хладагента от тестового блока; тестового
блока, состоящего из секции предварительного нагрева и секции- испарителя;
системы измерения и автоматического сбора данных.
Напор хладагента в системе создавался разностью
давления в начале и в
конце экспериментальной
линии. Центральным элементом стенда является
тестовый блок, состоящий
из входного разветвителя
Рисунок 1. Схема экспериментального стенда.
и выходного коллектора,
секции предварительного нагрева, с 4-мя независимыми микроканальными
трубками из нержавеющей стали круглого сечения 508 мкм и длиной 200 мм, и
секции-испарителя,
состоящей
из
4-х
независимых
кварцевых
микроканальных трубок квадратного сечения 538 x 538 мкм и длиной 77 мм
(Рисунок 2). Каждая пара трубок составляет одну экспериментальную ячейку
(Рисунок 3). Измерение температуры хладагента (tin,evap, tout,evap) осуществлялось
с помощью погружных медь-константановых термопар; давление хладагента
(Рin,preh , Рout,evap) измерялось датчиками избыточного давления; контактные медьконстантановые термопары использовались для измерения температур стенок
каналов (ti). Датчик разности давления измерял потери давления (dРevap) в
изучаемом микроканале. Каждая стальная трубка нагревалась подачей
7
электрического тока (Ipreh, Upreh) непосредственно на трубку, длина нагрева
(Lpreh,heated) была меньше общей длины трубки (Lpreh). Тонкая пленка вольфрама
была нанесена на внешнюю поверхность одной стороны каждой кварцевой
трубки для возможности подвода к нему теплового потока (Ievap, Uevap),
остальные стороны оставались прозрачными для визуализации процессов
внутри канала высокоскоростной видеокамерой.
Рисунок 2. Микроканальные трубки секции предварительного нагрева (слева),
Dh=508мкм, и секции-испарителя (справа), Dh=538 мкм.
Рисунок 3. Схема экспериментальной ячейки и измеряемых параметров.
На основе параметров прямых измерений определялись температуры
хладагента на входе и на выходе из канала (tin sat,evap, tout_sat,evap), температура
внутренней стенки стеклянного канала (tinwall,evap), определялся тепловой поток
(qin,evap,) и рассчитывался коэффициент теплоотдачи по соотношениям:
По графику зависимости коэффициента теплоотдачи от паросодержания
для каждого значения массового расхода, а так же по прямым измерениям
падения давления проводился анализ теплообмена в микроканалах.
В изучении процессов неустойчивости рассматривался как одиночный
микроканал, так и параллельные микроканалы (от двух до четырех), плотности
теплового потока каждого канала варьировались независимо. Для возможности
8
уловить резкие изменения мгновенных первичных параметров в
экспериментальной работе параметры системы регистировались с частотой в
2000 Гц, частота видеосъемок варьировалась от 1000 до 4000 кадров в секунду.
Перечень основных
измерительных приборов экспериментального
стенда дан в Таблице 1.
Погрешность определения коэффициента
теплоотдачи α составила
±10%; градиента давления dP/dz ±0,003 кПа;
массового паросодержаТаблица 1. Измерительные приборы.
ния хладагента х ±10%.
В результатах экспериментальных исследований приведены подробный
анализ экспериментальных данных, определение режимов кипения, сравнение
данных по теплообмену и градиенту давления с величинами, рассчитанными
по существующим методикам, анализ неустойчивостей.
Режимы кипения жидкостей в микроканалах оказывают влияние на
устойчивость протекающих в микроканале процессов и в конечном итоге на
интенсивность теплообмена при кипении. Знание режимов кипения позволяет
определить области параметров, которые обеспечивают устойчивый и
эффективный теплообмен при кипении в микроканале. На основе
видеоизображений процесса кипения в канале были определены режимы
потока и построена карта режимов кипения в микроканале хладагента R134а.
Наблюдалось пять режимов течения двухфазного потока (Рисунок 4).
Рисунок 4а. Карта режимов кипения R134a в прямоугольном микроканале
9
538 µм, (tнас = +29,4оС, q =2,2 кВт/м2).
Рисунок 4б. Фото режимов кипения
R134a в микроканале 538 µм:
(1) пузырьковый, (2) снарядный,
(3) снарядно-полукольцевой,
(4) полукольцевой и (5) кольцевой.
Прерывистые режимы характерны для x ниже 0,1...0,15. В области
0,15...0,5 характерны вариации кольцевого режима, а выше области
паросодержаний 0,5 наблюдается высыхание стенки канала и наступление
кризиса кипения.
Экспериментальные исследования теплообмена при кипении
хладагента в микроканале. Характер зависимостей коэффициента
теплоотдачи от массового паросодержания представлен на рисунке 5.
Рисунок 5. Экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи при
кипении R134a, Dh=538 µм, tнас = +29,4оС, q =2,2 кВт/ м2.
Коэффициент α растет с ростом паросодержания, причем темп роста
коэффициента теплоотдачи в области малых паросодержаний (х<0,1) больше по
сравнению с областью паросодержаний выше 0,1. Это связано с режимами
кипения при разных паросодержаниях и соответствующим различием в
механизме теплообмена:

ниже значений паросодержаний ≈0,1 характерны прерывистые режимы
кипения – теплообмен от стенки канала осуществляется через слой жидкости,
окружающей паровой пузырь. Причем толщина слоя жидкости является
переменной величиной, которая максимальна в начале парового пузыря и
10
минимальна в хвосте - основной механизм теплообмена пузырьковое кипение.
Поэтому коэффициент теплоотдачи зависит от теплового потока, теплообмен
более интенсивен и чувствителен к изменению паросодержания.

выше значений паросодержания ≈0,1 для режимов кипения характерно
центральное турбулентное паровое ядро, жидкость вытеснена к стенке канала и
теплообмен осуществляется через тонкий слой жидкости - основной механизм
теплообмена конвективный. Коэффициент теплоотдачи растет с утоньшением
пленки жидкости у стенки канала, причем, чем выше паросодержание тем
пленка тоньше и тем теплообмен интенсивнее, с началом высыхания пленки
жидкости интенсивность теплообмена падает.
Экспериментальные
данные
по
коэффициенту
теплоотдачи
при
кипении
хладагента
R134a
в
микроканале гидравлическим
диаметром 538 µм в области
паросодержаний х = 0...0,5,
определенные по формуле (1),
были сравнены с расчетными
величинами 11-ти расчетных
методик
по
параметрам
сходимости в области ±30% и
по
среднеарифметическому
отклонению
расчетной
величины
от
экспериментальной (Рисунок 6).
Рисунок
6.
Сравнение
экспериментального
коэффициента
теплоотдачи
с
рассчитанными по методикам:
1- Бертч и Гаримелла, 2 - Жанг
и др., 3 - Тран, 4 - Овхаиб и
др., 5–Кандликар и Бласубраманиан, 6 – Купер, 7- Ли и
Мудавар, 8 - Мохамед и
Кайараннис, 9 - Том и др., 10 Гунгор и Винтертон, 11 –
Чьонколини и Том.
Хотя некоторые методы и показывают похожие с экспериментом тренды
изменения коэффициента теплоотдачи, например методики Бертч и Гаримелла,
Кандликар и Баласубраманиан, тем не менее, отсутствует единообразие и
общий анализ показал, что разброс расчитанных данных по полуэмпирическим
и аналитическим моделям не менее чем ± 30% от экспериментальных значений.
Для более точного расчета коэффициента теплоотдачи при кипении R134a в
11
прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм
потребовалось разработать улучшенное расчетное соотношение.
На основе экспериментальных данных и исходя из набора параметров,
описывающих физику процесса кипения хладагента в микроканале, методом
приближения наименьших квадратов были определены новые соотношения для
расчета коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента R134a в
прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм:
 Расчетное соотношение коэффициента теплоотдачи при x < 0,1 :
= 1.55
жт
.
,
ж
,
,
,
п
ж
ж
) ,
(
(2)
 Расчетное соотношение коэффициента теплоотдачи при 0,1 < x < 0,5:
где
жт
=
ж
= 1.13
жт
.
,
ж
,
п
ж
,
(
) ,
ж
- критерий Рейнольдса по жидкости; Со =
,
(3)
( ж
п)
-
критерий стесненности роста парового пузыря, учитывает влияние отношения
ж
сил поверхностного натяжения и подъемных сил; ж =
– число Прандтля
ж
по жидкости; Bo =
– критерий кипения, учитывает влияние величины
×
теплового потока на теплообмен, п , ж – плотности паровой и жидкой фаз
соответственно, кг/м3; x - массовое паросодержание; ж – теплопроводность
жидкой фазы, Вт/(м×К);
- гидравлический диаметр канала, м.
Расчетные соотношения коэффициента теплоотдачи отличаются в
зависимости от режима кипения потока и учитывают разный механизм
кипения в области прерывистых и кольцевых режимов течения. Сходимость
экспериментальных данных с расчетом не выходит за рамки области ±10%.
Потери давления при кипении хладагента в микроканалах. При
двухфазном течении вещества в каналах с уменьшением размера сечения
потери давления из-за вязкого трения увеличиваются и вносят значительный
вклад в общие гидравлические потери. При расчете показателей
микроканального теплообменника необходимо располагать расчетной
методикой, с помощью которой можно теоретически оценить возможные
потери давления.
В данной работе по прямым измерениям падения давления через
исследуемую микроканальную трубку была построена зависимость градиента
давления dP/dz от паросодержания x (Рисунок 7). График показывает, что
градиент давления является функцией массового расхода, потери давления
растут быстро и значительно при больших массовых расходах. При малых
расходах градиент давления мало зависит от паросодержания, так как при
малых расходах и паровая и жидкая фаза находятся в ламинарном режиме,
потери давления из-за вязкого трения незначительны.
Экспериментальные значения градиента давления были сравнены с 6-ю
корреляциями расчета градиента давления по параметрам сходимости в области
±30% и по среднеарифметическому отклонению расчетной величины от
12
экспериментальной (Таблица 2, Рисунок 8): 4 корелляции по модели
разделенных потоков с разными подходами расчета множителя трения
двухфазного потока и 3 метода расчета по гомогенной модели с разными
подходами расчета вязкости.
Рисунок 7. Зависимость градиента давления от паросодержания при кипении
хладагента R134a, Dh=538 µм, tнас = +29,4оС, q =2,2 кВт/м2.
В области паросодержаний от 0 до 0,1,
когда
преобладают
режимы течения отдельных
пузырей
и
снарядов,
скорости
паровой и жидкой фаз
мало
отличаются,
поток более однороден - рекомендуется
использовать гомогенную модель предста- Таблица 2. Сравнительный анализ расчетных методик
градиента давления с экспериментом.
вления потока.
При больших паросодержаниях, более 0,1, скорости паровой и жидкой фаз
различаются значительно, в канале преобладает турбулентное паровое ядро. В
то время как режим течения слоя жидкости у стенки ламинарный. Модель
разделенных потоков лучше описывает динамику потока. Таким образом,
режим кипения потока имеет значение при расчете градиента давления в
микроканалах и в практических оценках падения давления необходимо
обращать внимание на величину паросодержания и, исходя из этого, выбирать
метод расчета.
Для расчета падения давления при кипении хладагента R134a в
прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром ≈ 500 µм в области
13
паросодержаний выше 0,1 рекомендуется использовать метод Ким и Мудавар, в
области паросодержаний ниже 0,1 рекомендуется использовать гомогенную
модель с расчетом свойств по Сичитти. В качестве альтернативной области
паросодержаний 0...0,5 рекомендуется использовать метод Фридела
.
Рисунок 8. Оценка сходимости градиента давления по расчетным методикам с
экспериментальными данными. 1- Мудавар, 2- Мишима и Хибики, 3- Фридел,
4-Мюллер-Стейнхаген и Хек, 5- Даклер, 6- Сичитти и др., 7- МакАдамс и др.
Экспериментальные исследования неустойчивостей при кипении
хладагента в малых каналах. Выполненные экспериментальные исследования
показали, что при определенных параметрах двухфазный поток
характеризуется неустойчивостью.
На величины неустойчивостей и
их периодичность оказывают
влияние состояние хладагента на
входе
в
каналы,плотность
теплового
потока,
массовый
расход хладагента, а также
сочетание
двух
последних
параметров.
В микроканалах
Рисунок 9. Стеснённый рост пузыря.
неустойчивости в первую очередь
связаны с малым размером сечения, растущие пузыри стеснены стенками
канала (Рисунок 9), возможен быстрый переход режимов кипения от
пузырькового к кольцевому, от кольцевого к кризису кипения в рамках длины
одной трубки.
Пример периодического низкочастотного неустойчивого процесса при
кипении R134a в микроканалах показан на рис. 10. В начальный момент
парообразования из-за стесненных условий пузыри быстро заполняют сечение
канала, это приводит к увеличению Δ P, меньший поток хладагента поступает в
канал, падает массовый расход G и, как следствие, режим кипения потока от
пузырькового быстро переходит в кольцевой. При постоянной плотности
теплового потока весь хладагент испаряется и канал заполняется паром, ΔP в
канале падает почти до нуля (Рисунок 10а). В этот момент новая порция
14
жидкости поступает в канал, пар конденсируется, давления во входном и
выходном коллекторах падают (Рисунок 10в), цикл начинается заново.
Замечено, что чем выше тепловой поток, тем короче период колебаний.
Значительные колебания массового расхода являются причиной термических
колебаний (Рисунки 10г, д).
Выполненные исследования показали, что неустойчивости двухфазного
потока при кипении R134а в микроканалах характеризуются колебаниями ΔP в
отдельных случаях до 16 кПа, изменениями массового расхода хладагента до
400%, колебания температуры стенок достигают до 17°C.
Рисунок 10. Неустойчивости разности
давления ΔP (а), массового расхода (б),
давления в коллекторах (в),
и
температур стенок в микроканалах
секции предварительного нагрева (г) и
секции-испарителя (д).
Реверс потока является уникальным явлением, характерным только для
малых каналов. Поток обращается в обратную сторону, если локальное
давление внутри парового пузыря во время стесненного роста превышает
давление потока на входе. Реверс проявляется при больших теплового потока
(q) и/или при малых значениях массового расхода (G), в таких случаях рост
парового пузыря имеет взрывной характер.
На рисунке 11 показаны параметры хладагента в случае возникновения
реверса потока. Отрицательные значения ΔP в микроканале указывают на
смену направления течения потока в обратную сторону (Рисунок 11а). Явление
реверса потока может быть периодичным при установившихся значениях G и q.
Возникший реверс можно устранить путем увеличения массового расхода или
путем снижения значения теплового потока. Желательно избегать работы
теплообменника в области реверса потока, так как это значительно снижает
интенсивность теплообмена и увеличивает ΔP.
15
Рисунок 11. Характер потока при появлении реверса во время кипении R134a в
микроканале, qисп = 61,7 кВт/м2
На рисунке 12 показана
граница возникновения реверса
потока в координатах расходтепловой поток.
Применительно к холодильным машинам, где значения плотностей
теплового потока не превышают 10 кВт/м2, во избежание
появления реверса потока,
рекомендуется
эксплуатация
микроканального испарителя
Рисунок 12. Экспериментальная граница
при массовых расходах не ниже появления реверса потока при кипении R134a
70 кг/(м2с).
в канале 538 µм, tнас = +29,4оС
Микроканальные теплообменные блоки отличаются компактностью и
меньшим объемом заправки рабочего вещества по сравнению с традиционными
ребристо-трубчатыми теплообменниками Для сопоставления характеристик
двух типов теплообменных блоков было проведено их сравнение при
одинаковой холодопроизводительности Qo=5 кВт при кипении хладагента
R134a. Параметры расчета приняты по стандарту SC1 EN328: tкип=0оС, Δt=10оС.
В среднем внутренний объем микроканального блока меньше в 5 раз; площадь
поверхности меньше почти в 3 раза за счет повышения компактности
теплообменного блока; масса меньше в 5 раз как за счет уменьшения габаритов
теплообменного блока, так и за счет исключительно алюминиевой конструкции
всего микроканального блока.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:
1)
В результате проведенных исследований были получены новые
экспериментальные данные по динамике двухфазных потоков и теплообмену
при кипении хладагента R134a в микроканале гидравлическим диаметром 538
µм, определены области устойчивого кипения в микроканале.
2)
Составлена карта режимов кипения хладагента. Установлено, что при
принятых параметрах исследований, прерывистые режимы течения
16
двухфазного потока хладагента характерны для массовых паросодержаний
ниже 0,1...0,15, вариации кольцевого режима характерны при x = 0,15...0,5,
выше значений паросодержания 0,5 наблюдалось высыхание отдельных
участков внутренней поверхности микроканала.
3)
Определено влияние различных параметров процесса на интенсивность
теплообмена и на градиент давления при кипении R134a в микроканалах с
гидравлическим диаметром Dh ≈ 500 мкм. Установлено, что при
паросодержании больше 0,5 интенсивность теплообмена резко уменьшается
вследствие наступления кризиса кипения.
4)
Предложены новые уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи
при кипении R134a в микроканалах с Dh ≈ 500 мкм, для паросодержаний (x)
0...0,5, массовых расходов 100…700 кг/(м2с), температур кипения -5оС ....+30оС.
5)
На основании сопоставления экспериментальных и расчетных значений
для определения падения давления в микроканале при x = 0...0,1 рекомендована
гомогенная модель представления потока с расчетом свойств по Сичитти, при
x = 0,1...0,5 – модель разделенных потоков Фридела и Ким и Мудавар.
6)
Анализ экспериментального изучения неустойчивостей, проявляющихся
в периодически возникающих колебаниях давления, массового расхода,
температуры и реверса потока, показал, что при плотностях теплового потока
порядка 10 кВт/м2 устойчивое кипение R134a в микроканале имеет место при
массовых расходах хладагента не ниже 70 кг/(м2с).
7)
Полученные результаты данной работы рекомендуются к использованию
при анализе микроканальных испарителей, диаметром канала порядка 500 µм
при работе с хладагентом R134a в области паросодержаний 0....0,5, массовых
расходов 100…700 кг/(м2с) и температур кипения -5оС ....+30оС.
8)
Микроканальный теплообменный блок производительностью Qo=5 кВт,
меньше типового ребристо-трубчатого по площади поверхности до 3 раз, по
внутреннему объему теплообменного блока в 5 раз и по массе блока до 5 раз.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ:
1. Ховалыг Д.М., Бараненко А.В. Методы расчета градиента давления
двухфазного потока при течении в малых каналах. // Вестник
Международной академии холода. - 2012. - №1. -С.3-10.
2. Ховалыг Д.М., Бараненко А.В. Теплоотдача при кипении хладагентов в
малых каналах. // Вестник Международной академии холода. - 2013. - №4. С.3-12.
3. Ховалыг Д.М., Бараненко А.В. Неустойчивости двухфазного течения
веществ при кипении в микроканалах. // Холодильная техника. - 2013. –
№10. – С.38-41.
4. Ховалыг Д.М., Бараненко А.В. Реверсивное движение потока при кипении
хладагентов в малых каналах. / Сборник статей VI Международной научнотехнической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в
XXI веке». Санкт-Петербург.: НИУ ИТМО, 2013. С. 21-23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
1 090 Кб
Теги
динамика, теплообмена, r134a, хладагенты, потоков, микроканалах, закономерности, двухфазная, кипение
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа