автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Интенсификация теплообмена при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом на трубах с развитой поверхностью в испарителях судовых холодильных машин

На правах рукописи

005535732

ХО ВЬЕТ ХЫНГ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТА

К410А И ЕГО СМЕСИ С МАСЛОМ НА ТРУБАХ С РАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ В ИСПАРИТЕЛЯХ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ

МАШИН

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Астрахань - 2013

005535732

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «АГТУ») на кафедре «Холодильные машины»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Букин Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Яковлев Павел Викторович

ФГБОУ ВПО «АГТУ»

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации

Борзенко Евгений Иванович

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, заведующий кафедрой криогенной техники института холода и биотехнологий

Ведущая организация: ФБОУ ВПО «Волжская государственная ака-

демия водного транспорта», г. Нижний Новгород

Защита состоится «14» ноября 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 307.001.07 при ФГБОУ ВПО «АГТУ» по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева 16, главный учебный корпус, ауд. 313.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет», диссертационный совет Д 3 07.001.07. Тел.: 8(8512)61-41-90. e-mail: a.rubanl974@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «АГТУ». С авторефератом можно ознакомиться на сайте АГТУ http://www.astu.org

Автореферат разослан «14» октября 2013 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

А.Р. Рубан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Задача о необходимости экономного и рационального расходования топливно-энергетических ресурсов - одна из важных задач энергетики России и Вьетнама. Как известно судовые холодильные установки (СХУ) и системы кондиционирования воздуха (СКВ) на судах являются одними из наиболее энергоемких объектов. На работу СХУ и СКВ современного рыбопромыслового судах затрачивается не менее половины общего количества электроэнергии, вырабатываемой судовой электростанцией. Для уменьшения расхода топлива и энергетических затрат в этих системах необходимо внедрение новых рабочих веществ и более эффективной теплообменной аппаратуры.

Кожухотрубные испарители затопленного типа, в которых рассол охлаждается внутри трубок, а хладагент кипит в межтрубном пространстве, широко применяются в средних и крупных судовых холодильных установках большой производительности благодаря высокой энергетической эффективности. Тем не менее имеют большие габариты и массу. Повышение компактности, снижение массы, стоимости и уменьшение энергозатрат этих аппаратов являются важными задачами. Решить их возможно путем интенсификации теплообмена.

Перспективным направлением в интенсификации теплоотдачи при кипении на наружной поверхности труб является применение труб с развитой поверхностью теплообмена. Высокая теплоотдача может быть получена при использовании труб с частично замкнутым объемом (ЧЗО). Трубы с развитой поверхностью теплообмена, а именно трубы с ЧЗО, инициируют кипение при меньших перепадах температур и поддерживают его при низких плотностях теплового потока. Вследствие этого, кипение на трубе с ЧЗО характеризуется большими значениями коэффициента теплоотдачи, чем на гладких и оребренных трубах.

Несмотря на то, что метод интенсификации теплообмена с помощью труб с развитой поверхностью теплообмена известен достаточно давно, исследований по влиянию таких факторов как форма ребер, концентрация масла при кипении смесевых хладагентов на трубах с ЧЗО к настоящему времени недостаточно, поэтому требуется дальнейшее изучение влияния этих параметров на теплообмен при кипении новых хладагентов, например, И410А на трубах с ЧЗО.

Нужно также отметить, что в настоящее время, в связи с экологическими требованиями, во Вьетнаме и России особо важными являются вопросы о замене озонораз-рушающих хладагентов на судах. Согласно новым правилам классификации и постройки морских судов мировых стран разрешено использовать новые хладагенты: 11134А, Ы404А, 11407С, 11507 и 11410А. Анализ имеющихся литературных данных показывает, что публикаций по определению коэффициента теплоотдачи при кипении хладагентов Я134А, Я404А, К407С и Я507 в большом объеме довольно много.

114 ЮА имеет нулевой потенциал истощения озонового слоя Земли, является нетоксичным и непожароопасным. Я410А рекомендуется применять в новых холодильных установках в качестве альтернативы запрещаемому Я22.

В настоящее время практически отсутствуют работы дающие обобщенную формулу для определения коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента 11410А и

его смеси с маслом на трубах с ЧЗО. Это затрудняет возможность рационального проектирования кожухотрубных испарителей затопленного типа с применением труб с ЧЗО, работающих на перспективном смесевом хладагенте R410A.

На основании вышеизложенного была определена необходимость проведения исследований по кипению хладагента R410A и его смеси с маслом на трубах с ЧЗО в испарителях судовых холодильных машин.

Цель работы - Интенсификация теплоотдачи при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 в испарителях судовых холодильных машин с помощью труб с частично замкнутым объемом.

В соответствии с целью ставятся следующие задачи исследования:

♦ разработать новые теплообменные трубы с ЧЗО для интенсификации теплообмена при кипении хладагента R410 А на наружной поверхности труб;

♦ создать экспериментальную установку для исследования теплоотдачи при кипении R410A и его смеси с маслом на трубах с разными поверхностями теплообмена;

♦ получить новые экспериментальные данные о теплообмене при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 на оребренной трубе и трубах с ЧЗО в диапазонах параметров, характерных для судовых холодильных установок и систем кондиционирования воздуха на судах;

♦ выявить влияние плотности теплового потока, давления, профиля ребер и концентрации масла на коэффициенты теплоотдачи при кипении R410A и его смеси с маслом BSE 32 на разных поверхностях теплообмена;

♦ получить зависимости, обобщающие экспериментальные данные для расчета и проектирования судовых испарителей затопленного типа с применением оребрен-ных труб и труб с ЧЗО;

♦ выполнить тепловой и конструктивный расчеты судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО.

Научная новизна:

1) разработана новая теплообменная труба с развитой поверхностью теплообмена для интенсификации процесса теплообмена при кипении хладагентов в большом объеме и выявлены области наиболее эффективного ее применения;

2) впервые экспериментально количественно оценены влияние давления, плотности теплового потока, формы ребер и концентрации масла на теплоотдачу при кипении на трубах с ЧЗО хладагента R41ОА и его смеси с маслом;

3) получены новые уравнения, обобщающие экспериментальные данные по кипению хладагента R410A и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;

На защиту выносятся:

- разработанные теплообменные трубы с ЧЗО;

- результаты экспериментальных исследований теплоотдачи при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;

- оценка влияния давления, плотности теплового потока, формы ребер и концентрации масла на теплоотдачу при кипении на трубах с ЧЗО хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32;

- полученные зависимости для расчета судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО при кипении R410А и его смеси с маслом BSE 32;

- рекомендации по применению труб с ЧЗО в испарителях судовых холодильных машин.

Достоверность результатов исследования. Цель исследования достигнута, благодаря тому, что она основана на новых экспериментальных исследования отечественных и зарубежных авторов, на базе известных научных достижений в области кипения новых хладагентов на трубах с развитой поверхностью теплообмена. Использованы надежные поверенные контрольно-измерительные приборы для измерения давления, термо-ЭДС и электрической мощности. Стенд обкатан на Я22, получена хорошая сходимость наших и ранее полученных другими авторами результатов.

Практическая значимость работы:

- разработаны и предложены к использованию трубы с ЧЗО;

- дополнен материал по кипению смесевого хладагента Я410А и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;

- полученные экспериментальные данные необходимые при проектировании и конструировании судовых испарителей затопленного типа, работающих на Я410А и его смеси с маслом;

- получены уравнения, которые могут использоваться для проектирования и разработки испарителей затопленного типа на судах.

Личный вклад автора. В диссертацию включены результаты экспериментов, полученные лично автором либо в соавторстве с научным руководителем. Выполнен анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований по интенсификации процесса кипения хладагента Я410А и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО. Получен патент на трубу У-профиля, разработка и изготовление экспериментального стенда и методики проведения экспериментов, проведение экспериментальных исследований при кипении хладагента Я410А и его смеси с маслом на трубах с развитыми поверхностями.

Апробация работы. Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось: на заседаниях кафедры «Холодильные машины», заседаниях Ученого совета «Механико-технологического института» ФГБОУ ВПО «АГТУ»; на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТУ» (2011 - 2013 гг.); научно-технической конференции с международным участием «25-летие монреальского протокола по озоноразрушающим хладагентам в контексте экологической бивалентности и доминирующей реальности» (г. Санкт-Петербург 01.2013 г.); международной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук (11) (г. Пермь, 03.2013г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе б по списку ВАК Министерства образования и науки России, а также получен патент РФ № 123910 «Теплообменная труба».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Общий объем составляет 140 страницы машинописного текста, 47 рисунков, 4 таблицы. Список использованных источников включает 133 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы, научная новизна, практическая ценность, сформулирована основная научная идея диссертационной работы, поставлены цели и задачи исследований, дается краткое изложение глав работы.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы интенсификации теплообмена в кожухотрубных испарителях судовых холодильных машин.

Проведен анализ отечественной и зарубежной литературы, который позволил сделать вывод о том, что известные кожухотрубные испарители затопленного типа не обеспечивают высоких значений коэффициентов теплоотдачи при кипении на поверхности труб. Отмечено, что эффективность работы судовых кожухотрубных испарителей во многом определяет энергетические показатели и надежность судовой холодильной машины и судовой энергетической установки в целом. По опытным данным ряда исследователей, установлено, что интенсивность теплообмена на теплоот-дающей поверхности с частично замкнутым объемом (по сравнению с гладкими и оребренными поверхностями) больше. Вследствие этого, перспективным направлением в интенсификации теплообмена при кипении на наружной поверхности труб является применение труб с развитой поверхностью теплообмена. Большинство исследований с трубами с развитой поверхностью теплообмена, проведено в диапазоне режимных параметров, не характерных для судовых холодильных установок и систем кондиционирования воздуха, либо с использованием озонопасных хладагентов.

Исследования по теплоотдаче при кипении в большом объеме хладагентов были проведены многими авторами: С.С. Кутателадзе, Г.Н. Даниловой, JI.H. Григорьевым, Д.А. Лабунцовым, В.И. Толубинским, А.И. Леонтьевым, VV.M. Rohsenow, D. Gorenflo, А.Е. Bergles, L.H Chien, J.R. Thome, R.L Webb, M.A. Kedzierski и др. Отмечено, что зависимости коэффициента теплоотдачи от давления, плотности теплового потока при кипении на трубах с развитой поверхностью теплообмена имеет свои особенности, в отличие от кипения на гладкой поверхности из-за изменения конструкции поверхностей нагревателя. Все это требует изучения влияния давления, плотности теплового потока на коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении на развитых поверхностях.

Известные из литературы полуэмпирические и эмпирические уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи не дают хороших результатов при кипении новых хладагентов. Это связано с тем, что известные уравнения не совсем точно отражают зависимость коэффициента теплоотдачи от свойств хладагентов нового поколения, профиля ребер. Поэтому уравнения не могут быть использованы для проектирования судовых испарителей затопленного типа, использующих новые хладагенты.

В судовых холодильных машинах с поршневыми, ротационными и винтовыми компрессорами, рабочим веществом является фреоно-масляная смесь. Масло оказывает влияние на коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении хладагентов в испарителях холодильных машин. Вопросы исследования теплообмена при кипении хладагентов с маслами были затронуты многими авторами. Однако, большинство работ посвящено исследованию кипения хладагентов, таких как R12, R502, R22 и R134A. Информация по кипению фреоно-масляных смесей при малых концентрациях масла противоречива. Влияние концентрации масла при кипении на развитой поверхности теплообмена не достаточно изучено.

Также хочется отметить, что работ по исследованию процесса кипения нового смесевого хладагента R410A на трубах с развитыми поверхностями теплообмена, автором не обнаружено.

Все вышесказанное обосновывает актуальность и важность исследования процесса теплообмена при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом на трубах с развитой поверхностью теплообмена в испарителях судовых холодильных машин.

Во второй главе представлена экспериментальная установка для исследования теплоотдачи при кипении R410A и его смеси с иаслом на трубах с разными поверхностями теплообмена, а также методика проведения опытов и обработки результатов экспериментов.

Экспериментальная установка состоит из двух контуров: основного (экспериментального) и вспомогательного (рисунок 1). Основным элементом экспериментального контура является экспериментальный испаритель 1. Экспериментальный испаритель 1 представляет собой стальной цилиндрический горизонтальный сосуд диаметром 275 мм и длиной 450 мм. Внутри его горизонтально находятся экспериментальные трубы 2. Внутрь труб 2 вставлены электронагреватели (нихромовые спирали), центрированные вдоль оси труб, которые питаются от сети переменного тока через автотрансформатор. С помощью веб-камеры ведется визуальное наблюдение, контролируется уровень жидкого холодильного агента, процесс кипения хладагента. При проведении визуальных наблюдения включается 10 светодиодов 4.

Конденсатор - испаритель (3) представляет собой кожухозмеевиковый теплооб-менный аппарат. В змеевике конденсатора-испарителя кипит жидкий холодильный агент R22 из вспомогательного контура, а в межтрубном пространстве конденсируется исследуемый хладагент R410А. Вспомогательный контур - это автоматизированный компрессорно-конденсаторный агрегат АК ФДС-1.2-70.

Тепловая нагрузка на электронагревателях контролируется ваттметром прибора К505. Давление внутри экспериментального испарителя 1 измерялось образцовым манометром. Для измерения температуры холодильного агента установлены три термопары. Температура стенки трубы измерялась в центральной ее части в трех точках с использованием ампервольтомметра Ф-ЗО

Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования теплоотдачи при кипении 11410А и его смесей с маслом на трубах с разными поверхностями теплообмена.

1- Экспериментальный испаритель, 2 - экспериментальные трубки, 3 - конденсатор-испаритель, 4 - светодиоды, 5 - предохранительный клапан 6- манометр, 7- заправочный вентиль, 8,9 -байпасные линии, 10 - компрессор низкого давления ФУ С-12, 11 - водяной теплообменник , 12-компрессор высокого давления ФВС-6 , 13 - конденсатор, 14 - фильтр осушитель , 15 - регулирующий вентиль.

Геометрические параметры опытных труб представлены в таблице 1

Таблица 1. Геометрические параметры опытных труб

№ Тип трубы ¿/нар, мм мм мм мм ММ А* ММ /'нар- м2 ^ВН, м2 Яъ.. мкм

1 стандартная оребренная 21 13,2 2 1,6 " 2,25 3,64 0,0437 0,012 4..5

2 Ребра с Г-профилем 20,5 13,2 2 0,25 2 3,83 0,0458 0,012 4..5

3 Ребра с У-профилем 21 13,2 2 0,25 2,25 4,21 0,0504 0,012 4..5

4 Ребра с Г-профилем 20,5 13,2 2 0,50 2 3,82 0,0458 0,012 4..5

5 Ребра с У-профилем 21 13,2 2 0,50 2,25 4,20 0,0504 0,012 4..5

а?Вн - внутренний диаметр экспериментальной трубы, мм, с1наР - наружный диаметр трубы, мм, ар - наружная поверхность трубы, м2, - внутренняя поверхность трубы, м2, коэффициент оребрения, - величина щелевого зазора, мм, кр - высота ребра, мм, - шаг между осями ребер, мм, 5Р' - расстояние между ребрами, мм, - шероховатость поверхности трубы, мкм.

Профиль ребер с ЧЗО представлены на рисунке 2. Фотографии труб представлены на рисунке 3. Трубы У-профиля запатентованы авторами. Трубы Г-профиля выполнены путем пропускания исходной трубы со спирально-накатными ребрами через протяжку, диаметр которой меньше диаметра исходной трубы. Трубы У-профиля выполнены путем прокатки режущим диском по середине верхней кромки ребра прямоугольного профиля. В отличие от существующих труб с ЧЗО, трубы, запатентованные авторами, имеют более низкую стоимость, а также просты в изготовлении.

3 Б

Рисунок 2. Профиль ребер с ЧЗО экспериментальных труб, а- профиля Г, б,- профиля У, Б -зазор.

Ребра с У-профилем Рисунок 3. Фотографии ребер экспериментальных труб.

Эксперименты проводились с холодильным агентом Я410А и его смеси с маслом В8Е32 при режимных параметрах, характерных для испарителей судовых холодильных машин и систем кондиционирования воздуха.

В опытах температура насыщения смеси устанавливалась от -20 °С до +5 °С, соответственно р„ = 400 кПа - 931 кПа, плотность тешювого потока д изменялась от 1

Стандартная оребренная

до 20 кВт/м2, с концентрациями масла <fM 0%, 2%, 5% и 10%. В качестве смазочного материала применили синтетическое масло РОЕ Bitzer BSE32, разработанное специально для работы с хладагентом R410A.

Перед проведением эксперимента для проверки работоспособности стенда. Была проведена серия опытов на хладагенте R22 на известных поверхностях. Получена хорошая сходимость с ранее проведенными исследованиями, что свидетельствует о достаточной точности и достоверности полученных результатов. В результате проведения экспериментов определяются:

1. Плотность теплового потока отнесенная к внутренней поверхности трубы,

Вт/м2:

N m

Яш О)

где N- электрическая мощность, Вт.

Fml - площадь внутренней поверхности экспериментальной трубы, м2:

FBH = ТС • /. i/вн, (2)

где /-длина электронагревателя, м, еЛн - внутренний диаметр экспериментальной трубы, м.

2. Плотность теплового потока отнесенная к полной поверхности трубы,

Вт/м2:

N

нар

где Fhüр - площадь наружной поверхности экспериментальной трубы, м2: /•"нар = К . I. dmp , (4)

где dнар - наружный диаметр экспериментальной трубы, м.

3. Коэффициент теплоотдачи отнесенный к внутренней поверхности трубы, Вт/(м2.К):

«,„=-(5)

*ст 'н

где Гст- средняя температура наружной поверхности стенки, К;

Л, - температура насыщения исследуемого вещества, К;

. _ Ап-.в ^ст.н ^ст.ср

ст ~ 4 '

где Лггв,/стн , /стер - температуры в верхней, нижней и средней поверхности трубы, К.

/н = 'н1+^+Ч (7)

4. Коэффициент теплоотдачи отнесенный к наружной поверхности трубы, Вт/(м2.К):

(8)

CT V/

В третьей главе содержатся результаты теплообмена при кипении чистого R410A на трубах с разными поверхностями теплообмена.

Визуальное наблюдение за процессом кипения на оребренной трубе и трубах с ЧЗО показало, что при снижении давления насыщения развитое пузырьковое кипении

9

Я410А началось при больших плотностях теплового потока. С помощью камеры отмечалось, что на трубах с ЧЗО возникновение, рост и отрыв пузырей происходит интенсивнее, чем на оребренной. Самый интенсивный процесс кипения возникает на трубах У-профиля (трубы № 3), самый худший на оребренной трубе. Установлено, что кипение хладагента 11410А на трубах с ЧЗО началось при меньших плотностях теплового потока по сравнению с оребренной трубой.

При визуальном наблюдении за процессом кипения, можно сделать выводы о том, что из-за особенностей конструкции ЧЗО создаются условиях более благоприятные для возникновения, роста и отрыва паровых пузырей. Поэтому процесс кипения на трубах с ЧЗО должен характеризоваться большим коэффициентом теплоотдачи, чем при кипении на оребренной трубе.

Зависимость коэффициента теплоотдачи отнесенного к внутренней поверхности трубы от плотности теплового потока (аВн = %ЕН)) для всех труб при температуре насыщения Гн = - 20 °С представлена на рисунке 4. Аналогично зависимости получены для/„=-5 °С, +5 °С.

Видно, что коэффициент теплоотдачи растет с увеличением плотности теплового потока. Это объясняется тем, что с увеличением тепловой нагрузки увеличивается число действующих центров парообразования и, следовательно, теплообмен улучшатется.

10000 8000 6000 4000 2000

а,я, Вт/(м2.К)

/„ = -20 °С

1

и >

Л

Я ал' Вт/м2

«,„ , Вт/(м2.К) Труба № 3 12000 —

350

550

Р, кПа

„,„.„ ♦Овн = 20000, Вт/м2 Ш<2вн = 15000 , Вт/м2 О 5000 10000 15000 20000 25000 4

♦труба № 1 Втруба№ 2 Атруба № 3 •труба№ 4 Хтруба № 5 »С>вн = 7500 , Вт/м2 Ж(2вн = 2500 , Вт/м2

Рисунок 4. График ави = %.н) для всех видов Рисунок 5. График си* = Др) для трубы № 3 труб при /„ = - 20 °С при разных плотностях теплового потока.

В результате эксперимента установлено, что в диапазоне эксперимента степень влияния плотности теплового штока на коэффициент теплоотдачи слабее для труб с ЧЗО, чем для оребренных труб. Это можно объяснить тем, что увеличение коэффициента теплоотдачи обусловлено конвекцией в каналах труб с ЧЗО, такое влияние увеличивает коэффициент теплоотдачи при низких плотностях теплового потока в большей степени, чем при более высоких.

Зависимость коэффициента теплоотдачи отнесенного к внутренней поверхности трубы от давления (яЕ„ = %;)) для трубы У-профиля с величиной щелевого зазора равной 0,25 мм (трубы № 3) представлена на рисунке 5.

Видно из рисунка 5, что коэффициент теплоотдачи возрастает с увеличением давления при всех плотностях теплового потока. При кипении на экспериментальных

10

трубах № 1,2,4,5 а также растет с увеличением давления при всех плотностях теплового потока. Это явление можно объяснить тем, что увеличение давления приводит к уменьшению критического радиуса, а, следовательно, к увеличению числа действующих центров парообразования. С увеличением давления также увеличивается частота отрыва пузырей от центров парообразования. Отмечено, что коэффициент теплоотдачи пропорционален числу действующих центров парообразования. Вследствие этого, интенсивность кипения увеличивалась с повышением давления. Эти выводы соответствуют экспериментальным данным, представленным в разных работах на других хладагентах.

Установлено, что степень влияния давления на коэффициент теплоотдачи меньше для труб с ЧЗО, чем для оребренных труб. Причиной этому является то, что увеличение коэффициента теплоотдачи при конвекции не зависит от давления. Поэтому эффект давления на коэффициент теплоотдачи слабее для труб с ЧЗО, чем для оребренных труб.

С уменьшением величины щелевого зазора, степень влияния давления на коэффициент теплоотдачи сильнее. Так как у труб с большей величиной щелевого зазора свойства близкие к свойствам оребренной трубы. Влияние конвекции в каналах труб с ЧЗО с большей величиной щелевого зазора меньше, чем у труб с ЧЗО с меньшей величиной щелевого зазора.

В результате эксперимента установлено, что в диапазоне, в котором проводятся эксперименты, коэффициент теплоотдачи при кипении на четырех трубах с ЧЗО больше, чем при кипении на оребренной трубе, при а отнесенным к внутренней поверхности труб.

Повышенные значения коэффициента теплоотдачи могут быть обусловлены изменениями гидродинамических условий в непосредственной близости от существующих центров парообразования. Это связано с тем, что при отходе пузыря и теплого жидкого хладагента от поверхности нагрева, их место занимает менее нагретый жидкий хладагент. При использовании оребренных труб холодный жидкий хладагент движется на открытые участки центров парообразования. Здесь необходим относительно больший тепловой поток, чтобы довести холодный жидкий хладагент до начала кипения. Напротив, в трубах с ЧЗО ограничивается поток холодного жидкого хладагента из объема, благодаря малой величине зазора между ребрами. Вследствие этого, кипение на трубах с ЧЗО характеризуется большими значениями коэффициента теплоотдачи, чем на оребренных трубах.

Из рисунка 4 можно заметить, что коэффициент теплоотдачи при кипении на трубах № 3 больше, чем при кипении на трубах № 2. Коэффициент теплоотдачи при кипении на трубах № 5 больше, чем при кипении на трубах № 4. Это говорит о том, что коэффициент теплоотдачи при кипении на трубах с У-профилем больше, чем коэффициент теплоотдачи при кипении на трубах с Г-профилем (при одинаковом размере зазора). Это связано с тем, что У-профиль увеличивает площадь, занимаемую микрослоем жидкости, отделяющий паровой пузырь от греющей стенки, чем Г-про-филь, кроме того У-профиль имеет больший коэффициент оребрения.

Также отмечено, что а при кипении на трубе № 2 больше, чем при кипении на трубе № 4. Коэффициент теплоотдачи при кипении на трубе № 3 больше, чем при кипении на трубе № 5. Вследствие этого, уменьшение размера зазора от 0,5 до 0,25 мм приводит к некоторому увеличению коэффициента теплоотдачи. Интенсивность

теплообмена для труб с меньшим зазором между ребрами выше, чем у труб с большим зазором. Это объясняется более благоприятными условиями для зарождения паровых пузырьков на трубах №2 и №3, чем на трубах №4 и №5. Этот вывод об увеличении интенсивности теплообмена при уменьшении величины зазора между ребрами хорошо согласуется с существующими экспериментальными данными для других труб с ЧЗО приведенными разными авторами.

Зависимость коэффициента теплоотдачи отнесенного к наружной поверхности трубы от плотности теплового потока отнесенного к наружной поверхности трубы (Янар = %нар)) ДЛЯ всех видов труб представлена на рисунке 6.

В опытах с чистым хладагентом Я410А, установлено, что а при кипении на четырех трубах с ЧЗО больше, чем при кипении на оребренной трубе при а и д отнесенным к наружной поверхности труб (рисунок 6). При кипении на экспериментальных трубах при /„ = -20 °С, +5 °С аналогично, также видно, что коэффициент теплоотдачи при кипении на четырех трубах с ЧЗО больше, чем при кипении на оребренной трубе при а и <7 отнесенным к наружной поверхности труб. Это значит, что с применением труб с ЧЗО можно повысить интенсивность теплопередачи не только за счет увеличения поверхности на стороне хладагента, но и за счет увеличения коэффициента теплоотдачи при кипении, отнесенного к полной поверхности.

Чтобы подробно оценить полученные результаты коэффициентов теплоотдачи между разными трубами, построим график ачзо/ооР=б = ДЧвн) при кипении на трубах (рисунок 7).

3000

2000

1000

/.. = -5 "С

-И

0

*

1.60

1.50

1.40

1.30

1.20

1.10

1.00

аЧ1с/ар[«б

'н = +5 "С

¿V

Л; к

к

1 к

1000 2000 3000 4000

5000 6000 Чш,. Вт/м2

5000 10000 15000 20000 25000

♦труба № 1 Итруба № 2 Атруба № 3 «труба № 4 X труба № 5

■труба № 2 •труба № 4

Атруба №3 „ , „ , Вт/м2 Хтруоа № 5

Рисунок 6. График №яр = %нар) для всех видов труб при 1н = -5 "С.

Рисунок 7. График ачзо/а<>рсб = Я«?»н) при кипении на трубах при /н = +5 °С.

Видно из рисунка 7, что интенсивность кипения на трубе с ЧЗО почти в 1,1..1,6 раза больше, чем на оребренной трубе. Однако Рчзо/ Рореб = 1,05-1,15. Это значит, что коэффициент теплоотдачи при кипении на трубах с ЧЗО больше, чем при кипении на оребренной трубе, причина этого может быть не только увеличение коэффициента оребрения у труб с ЧЗО, но, главном образом, изменения гидродинамических условий в ЧЗО. Интенсивность кипения на трубах с ЧЗО больше, чем на оребренной трубе, это может быть связано с более высокой плотностью активных центров зарождения паровых пузырей и, возможно, более интенсивного движения потока в каналах.

Итак, интенсификация кипения на трубах с 430 сочетает, в определенной степени, увеличение теплообменной поверхности, достигаемое на ребристых трубках, с благоприятными условиями зарождения и роста паровых пузырей, что свойственно поверхностям с 430.

Видно также от рис.7 значение ачзо/аореб уменьшается с увеличением плотности теплового потока. Значение ачзо/аореб выше при плотности теплового потока в пределах до 5000 Вт/м2. Вследствие этого, в условиях работы испарителей СХМ, которые характерны для малых значений плотности теплового потока, целесообразно применение труб с ЧЗО.

Для экспериментальных коэффициентов теплоотдачи а методом наименьших квадратов находилась зависимость:

где С — коэффициент, зависящий от свойств кипящей жидкости, свойств поверхности и др. Экспериментальные данные обобщаются зависимостями:

• для оребренной трубы (трубы №1)

(Хин С. д„„ " • р«т ,

«„„ = 10,05. 9(г„0-41 . рн°■■

'ви

(9)

для труб с ЧЗО (величина щелевого зазора = 0,25мм) для трубы №2 (ребра с Г-профилем)

авн = 74,27. двн 0,34 . Ри0'22 для трубы №3 (ребра с У-профилем) ат = 80,46. двн °'34 . р»'22

(П)

(10)

• для труб с ЧЗО (величина щелевого зазора = 0,50мм) для трубы №4 (ребра с Г-профилем)

«„„ = 44,66. д»,,0-37./?»0-25 для трубы №5 (ребра с У-профилем)

ав„ = 46,48. дв„ 0,37 . р°'25

(12)

На рисунке 8 представлены результаты обработки опытных данных по теплоотдаче при кипении чистого хладагента 11410 А по уравнениям (1-5).

Видно из рисунка 8 максимальное отклонение опытных и расчетных значений а не более 15%.

Установлено, что предложенные формулы для расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении на трубах с ЧЗО хладагента Я410А дают хорошие совпадения с

экспериментальными данными.

12000

8000

4000

®раечв

+15% А

4 ? -15%

/ У

12000 Атруба N2 3

0 4000 8000

♦труба № 1 ■ труба № 2

• труба № 4 Xтруба № 5 Рисунок 8. Сопоставление опытных и рассчитанных по уравнениям (1-5) значений а.

Обобщение показало, что влияние плотности теплового потока и давления на коэффициент теплоотдачи слабее для труб с ЧЗО, чем для сребренных труб. Полученные значения п и т для разных труб полностью отражают влияние плотности теплового потока и давления, которые рассмотрены ранее.

Значения п и т для труб с меньшим зазором между ребрами меньше, чем у труо с большим зазором. Это согласуется с экспериментальными данными полученными

ранее.

В пределах эксперимента, степень влияния плотности теплового потока и давления на коэффициент теплоотдачи зависит от зазора между ребрами, чем меньше величина зазора между ребрами, тем меньше <у ир влияют на а.

Анализ результатов обобщения опытных данных свидетельствует о том, что поверхностные условия существенно влияют на интенсивность теплоотдачи при кипении 11410А.

Третья глава заканчивается основными выводами.

В четвертой главе «Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении хладагента 11410А с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО» представлены результаты обработки экспериментальных исследований теплоотдачи при кипении хладагента К410А с маслом ВБЕ32 на оребренной трубе и трубах с развитой поверхностью теплообмена и проведен анализ полученных данных.

На рисунке 9 показано влияние концентрации масла <Г„ на коэффициенты теплоотдачи при кипении на оребренной трубе (трубе №1) при различных плотностях теплового потока (ам = Я^м))-

Из рисунка 9 видно, что при наличии масла коэффициент теплоотдачи растет с увеличением плотности теплового потока. Отсюда можно делать вывод, что механизм парообразования остается прежним, но степень влияния плотности теплового потока уменьшается с ростом Степень влияния плотности теплового потока на коэффициент теплоотдачи при кипении с наличием масла меньше, чем при кипении чистого хладагента.

8000 6000 4000 2000 0

о„ Труба №!,/„" -20 °С

,Вт/(м2.К)

! 1

! « . !

v! ! * \ : х '

$ х

0 5000 10000 15000 20000 25000 ♦ 5м = 0% «5м = 2% л?м = 5% Х^м=10% ?„рВт/м-

1.2

0.8

0.6

0.4

aja.

Труба № 1,1И = -5 "С

>

j

(и

10

15

-qBH = 10 кВт/м2 -qBH = 1 кВт/м2

О 5

—»-двн = 20 кВт/м2 А qвн = 5 кВт/м2

Рисунок 9. Влияние концентрации масла & на коэф- Рисунок 10. График аЛа = А^м) при кипе-фициенты теплоотдачи при кипении на трубе №1 нии на трубах № 3 при различных плотно-при различных плотностях теплового потока (л. = - стах теплового потока и давлениях (/„ - -5 20 °С).

°С)

С увеличением концентрации масла, интенсивность теплообмена при кипении на оребренной трубе сначала возрастает (при концентрации масла 2%), а при дальнейшем её росте - падает. Из рисунка 9 видно, что при концентрации =2%, коэффициент теплоотдачи при кипении на трубе № 1 больше, чем при кипении чистого хладагента, (aja = 1,05 ^ 1,10)

С ростом концентрации масла интенсивность теплообмена уменьшается, из-за наличия хладон-масляной пленки на поверхности труб. Пузырьки растут медленнее, и интенсивность передачи тепла, которая зависит от скорости, с которой пузыри растут и отходят от нагретой поверхности, уменьшается.

В результате эксперимента установлено, что коэффициент теплоотдачи на оребренной трубе возрастает с увеличением давления при одной и той же концентрации масла, при всех плотностях теплового потока. Однако увеличение р оказывает меньший интенсифицирующий эффект на теплоотдачу при кипении хладагента с маслом.

Из рисунка 10 видно, что с увеличением плотности теплового потока, уменьшается значение aja. Так как при высоких плотностях теплового потока, кипение интенсивнее, и масло быстро приходит к стенке труб. При этом образуется более толстый слой масла, чем при маленьких плотностях теплового потока. Из-за толстого слоя масла на поверхности труб, ухудшается теплообмен.

Влияние концентрации масла £ы на коэффициенты теплоотдачи при кипении на трубе Y-профиля (трубе №3) при различных плотностях теплового потока (в„ = Д(/вн)) представлен на рисунке 11.

Анализ экспериментальных результатов показывает, что коэффициент теплоотдачи при кипении на трубе № 3 растет с увеличением плотности теплового потока также как при кипении на оребренной трубе.

Степень влияния давления на коэффициент теплоотдачи при кипении с маслом меньше, чем при кипении чистого хладагента. Наличие масла ухудшает интенсивность теплообмена. С ростом концентрации масла коэффициент теплоотдачи при

кипении на трубах с 430 падает (рисунок 11). Вышесказанные выводы аналогичны полученным результатам при кипении на других труб с ЧЗО.

,Вт/(м2.К)

Труба №3,/,, =-20 °С

10000 8000 6000 4000 2000 0

i ¡

■ 1 ж i \ г

IÍ ж . , X

Xх '

I

0.8 0.6 0.4 0.2

aja

Труба № 3, íH = -5 "С

\

1 i»

0 5000 10000 15000

♦ £м = 0% "?м = 2% А^м = 5% Х^м=10%

20000 25000 Вт/м-

0 5

>—qBH= 20 кВт/м2 г— qBH = 5 кВт/м2

10 15

-qBH= 10 кВт/м2 — (]вн = I кВт/м2

Рисунок 12. График a Ja = fl&i) при кипении на трубах № 3 при различных плотностях теплового потока (7В= -5 °С)

Рисунок И. Влияние концентрации масла с« на коэффициенты теплоотдачи при кипении на трубе №3 при различных плотностях теплового потока (/«= -20

°С).

Присутствие масла даже при 2 % уменьшает коэффициент теплоотдачи для труб с развитыми поверхностями теплообмена. При концентрации 0.-10% резко ухудшается теплообмен. Это объясняется тем, что масло аккумулируется в ЧЗО труб, и его трудно удалять из канала, что ухудшает теплообмен (рисунок 12).

Из рисунка 12 видно, что с увеличением плотности теплового потока, увеличивается значение aja. Для оребренной трубы получены обратные результаты. Причиной служит то, что в отличие от оребреной трубы, при кипении на трубах с ЧЗО основным фактором является перенос тепла в ЧЗО. При высоких плотностях теплового потока, возможно удалять больше масла с канала, чем при кипении на маленьких плотностях теплового потока. Из-за этого увеличивается теплообмен.

С целью сравнения коэффициентов теплоотдачи при кипении на трубах при разных концентрациях масла, при температуре насыщения /„ = -20 °С для всех труб построим график «и = н) (рисунок 13).

Установлено, что концентрация масла <fM свыше 2% приводит к монотонному снижению коэффициента теплоотдачи во всех случаях. При концентрации с„=10% резко ухудшается теплообмен, особенно на трубах с развитыми поверхностями теплообмена. Наличие масла ухудшает теплообмен при кипении хладагентов на трубах с ЧЗО, сильнее, чем на оребренных поверхностях. При концентрации <fM=2% и <f„=5%, коэффициент теплоотдачи при кипении на трубе с ЧЗО больше, чем при кипении на оребренной трубе. Однако при £„=10% коэффициент теплоотдачи при кипении на трубе с ЧЗО становится меньше, чем при кипении на оребренной трубе (рисунок 13). Поэтому концентрация масла в судовом испарителе следует поддерживать не более 5 %. Анализ экспериментальных результатов показывает, что что уменьшение размера зазора на трубах с ЧЗО от 0,5 до 0,25 мм приводит к некоторому уменьшению значения aja. Это может быть связано с накоплением большого количества масла внутри каналов с меньшим зазором и трудностями, связанными с его удалением.

аи, Вт/(м2.К) 10000

-20 »С,с =2%

и труба № 1 и труба № 2 а труба № 3 В труба №4 н труба № 5

1000 2500 5000 7500 10000 15000 20000

, Вт/м2

Рисунок 13. График ам = %вн) при кипении на трубах при разных концентрациях масла при температуре насыщения t« = -20 °С.

Отмечено, что при одинаковом размере зазора, трубы с Г-профилем имеют значение aja больше, чем у труб с Y-профилем. Возможно, это связано с тем, что масло-хладоновая смесь аккумулируется в ЧЗО на трубах с Y-профилем, ее более трудно удалять из канала, вследствие чего ухудшается теплообмен.

Анализ результатов эксперимента позволяет сделать вывод о том, что с увеличением давления, величина ам/а уменьшается. Это значит, что с понижением температуры насыщения уменьшается влияние масла на степень ухудшения теплообмена. Причины связаны со снижением поверхностного натяжения и интенсивности пено-образования при меньших давлениях.

При обработки экспериментальных данных получены зависимости, учитывающие влияние & и профиль ребер, рекомендуемые авторами для расчета коэффициента теплоотдачи а» при проектировании кожухотрубных испарителей с кипением R410A с маслом на трубах с ЧЗО.

Для экспериментальных коэффициентов теплоотдачи а методом наименьших квадратов находилась зависимость:

аи = С. дв„п .р»т.

где С - коэффициент, зависящий от свойств кипящей жидкости, свойств поверхности и др.

Экспериментальные данные обобщаются зависимостями:

• для трубах с ЧЗО (величина щелевого зазора = 0,25мм)

для трубы №2 (ребра с Г-профилем)

а„ = 132,7. да,0'39 .рн°'и- £м"0'45 (14)

для трубы №3 (ребра с У-профилем)

ам = 159,7. двн0,39 .рн0'03. <Гм"0'51 (15)

• для трубах с ЧЗО (величина щелевого зазора = 0,50мм)

для трубы №4 (ребра с Г-профилем)

аи = 152,9. д«,,0,40. р„0-07. .V0-29. (16)

для трубы №5 (ребра с У-профилем)

аи = 89,3.9«я0,40 .рк0,и ■ &Г0'39. _ (17)

Максимальное отклонение экспериментальных и расчетных значений ам не более 20%.

В уравнениях отмечается меньшее влияние Ря на аи при наличии масла. Полученные значения п,тик для разных труб полностью отражают влияние плотности теплового потока и давления, которые рассмотрены раннее.

В пятой главе изложена методика расчета испарителя с кипением хладагента на наружной поверхности труб при применении сребренной трубы и труб с ЧЗО. На основе проведенного анализа для чистого хладагента 11410А рекомендовано использовать трубы с У-профилем с величиной щелевого зазора равной 0,25 мм (трубы № 3). Применение труб с ЧЗО позволит сократить площадь теплообмена поверхности труб, уменьшатся габаритные размеры аппаратов, масса кожуха и крышек.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты визуальных наблюдений кипении 11410А на разных поверхностях теплообмена показали, что на предлагаемых трубах с ЧЗО, процесс возникновения, роста и отрыва пузырей интенсивнее, чем на оребренной. Вследствие этого, кипение на трубах с ЧЗО характеризуется большими значениями коэффициента теплоотдачи.

2. Установлено, что коэффициент теплоотдачи при кипении чистого хладагента на трубах с У-профилем больше, чем при кипении на трубах с Г-профилем (при одинаковом размере зазора). Уменьшение размера зазора от 0,5 мм до 0,25 мм приводит к некоторому увеличению коэффициента теплоотдачи при кипении чистого хладагента.

3. Отмечено что, влияние плотности теплового потока и давления на коэффициент теплоотдачи сильнее для оребренных труб, чем для труб с ЧЗО.

4. При добавлении масла £„=2%, уменьшается коэффициент теплоотдачи для труб с ЧЗО. С ростом концентрации масла интенсивность теплообмена уменьшается. При концентрации <Гм=Ю% резко ухудшается теплообмен на трубах с ЧЗО. Выявлено, что трубы с развитой поверхностью являются более чувствительными к деградации коэффициента теплоотдачи при кипении в отличие от оребренной трубы. Показана целесообразность их использования в данных условиях, при этом концентрацию масла в испарителе следует поддерживать не более 5%.

5. Впервые предложены формулы для расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении на трубах с ЧЗО хладагента R410A и его смеси с маслом с погрешностью меньше 20%, необходимые для инженерных расчетов.

6. Впервые разработана_уточненная методика расчета судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО при кипении R410A и его смеси с маслом BSE 32. Результаты расчета показывают, что применение труб с ЧЗО эффективнее, чем оребренных. Для интенсификации процесса в судовых кожухотрубных испарителях рекомендуется использовать трубы с ЧЗО, что позволит уменьшить металлоемкость и габариты испарителей.

7. Результаты работы использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО «АГТУ» и переданы для использования на судостроительный завод ШонгТху (г. Дананг, Вьетнам).

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях: в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Хо Вьет Хынг. Результаты исследования кипения озонобезопасного хладагента R410A в испарителях холодильных машин [Текст] / Букин В.Г., Хо Вьет Хынг // Юг России: экология, развитие. - 2012. -№ 4. - С. 18-21. ISSN 1992-1098.

2. Хо Вьет Хынг. Nucleate pool boiling of R410A and R410A/oil mixtures on heat-exchange enhanced surfaces [Текст] / Букин В.Г., Хо Вьет Хынг // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013. - г. Серов: Научно-технический центр «TATA», - 2013. - С. 24-27. ISSN 1608-8298.

3. Хо Вьет Хынг. Effects of geometrical parametric heat transfer surface and oil concentration on nucleate boiling heat transfer of refrigerant R410A [Текст] / Букин В.Г., Хо Вьет Хынг // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013. - г. Серов: Научно-технический центр «TATA», - 2013. - С. 28-30. ISSN 1608-8298.

4. Хо Вьет Хынг. Влияние масла на теплоотдачу при кипении смесевого хладагента R410А на развитых поверхностях [Текст] / Хо Вьет Хынг // Научно-технический вестник Поволжья. -2013г. -№1 - Казань. - С. 278-280. ISSN 2079-5920.

5. Хо Вьет Хынг. Повышение эффективности теплообмена в кожухотрубных испарителях судовых холодильных установок [Текст] / Букин В.Г., Хо Вьет Хынг // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология. - 2013. - № 1. - С. 90-94. ISSN 2073-1574.

6. Хо Вьет Хынг. Перспективность применения испарителей с развитой теплооб-менной поверхностью труб в судовых системах микроклимата [Текст] / Хо Вьет Хынг // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология. - 2013. - № 1. - С. 143-147. ISSN 2073-1574.

7. Патент № 123910 РФ, F25B39/00 F28F1/10. Теплообменная труба / Букин В.Г., Букин A.B., Хо Вьет Хынг. Опубл. 10.01.2013. Бюл.№ 1.

в других изданиях

%

8. Хо Вьет Хынг. Закономерности теплообмена при кипении рабочего вещества R410A с маслом BSE32 в аппаратах судовых систем кондиционирования воздуха [Текст] / Хо Вьет Хынг // Актуальные вопросы технических наук (II): материалы междунар. заоч. науч. конф. (г. Пермь, февраль 2013 г.). - Пермь: Меркурий, 2013. — С. 90-93. ISBN 978-5-88187-443-8

Подписано в печать «10» октября 2013 г. Тираж 100 экз. Заказ № Типография ФГБОУ ВПО «АГТУ», тел. 61-45-23 г. Астрахань, Татищева 16ж.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТА ЬШОА И ЕГО СМЕСИ С МАСЛОМ НА ТРУБАХ С РАЗВИТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ В ИСПАРИТЕЛЯХ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

и--------

04201365056

ХО ВЬЕТ ХЫНГ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В. Г. БУКИН

Астрахань-2013

Содержание

Перечень принятых условных обозначений и символов 5 Введение 8

Глава 1 Состояние вопроса по интенсификацию процесса теплооб- 14 мена при кипении хладагента на трубах с частично замкнутом объемом в кожухотрубных испарителях судовых холодильных машин. Постановка целей и задач исследований

1.1 Анализ состояния проблемы интенсификация тепло- 14 обмена в кожухотрубных испарителях судовых холодильных машин

1.2 Особенности процесса теплообмена при пузырьковом 18 кипении. Основные понятия. Влияние основных факторов на теплообмен при кипении в большем объеме

1.3 Пузырьковое кипение хладагентов на гладких трубах. 23 Уравнение подобия для теплообмена при пузырьковом кипении

1.4 Оценка существующих методов интенсификация теп- 31 лообмена при кипении в большем объеме. Обоснование выбора исследуемого метода интенсификация теплообмена при кипении в кожухотрубных испарителях судовых холодильных машин

1.5 Влияние масла 45 Основные выводы. Постановка цели и задач исследования 53

Глава 2 Экспериментальная установка. Методика проведения опы- 56 тов и обработки результатов экспериментов 2.1 Экспериментальная установка для исследования теп- 56 лоотдачи при кипении Я410А и его смеси с маслом на трубах с разными поверхностями теплообмена.

2.2 Конструкция, геометрические параметры эксперимен- 63 тальных труб.

2.3 Методика и условия проведения экспериментов 67

2.4 Методика обработки опытных данных. Погрешность 71 экспериментов

Глава 3 Результаты экспериментального исследования теплоотдачи 76 при кипении чистого хладагента 1141ОА на оребренной трубе и трубах с ЧЗО

3.1 Проверка работоспособности стенда и качества из- 76

готовления экспериментальных труб 3.2. Визуальное наблюдение за процессом кипении на 78 оребренной трубе и трубах с ЧЗО

3.3 Влияние плотности теплового потока при кипении чи- 79 стого хладагента Я410А на оребренной трубе и трубах

с ЧЗО

3.4 Влияние давления на коэффициент теплоотдачи при 82 кипении на оребренной трубе и трубах с ЧЗО

3.5 Влияние форм ребер на коэффициент теплоотдачи 85 при кипении на оребренной трубе и трубах с ЧЗО

3.6 Обобщение результатов по теплоотдаче при кипении 90 Я410А на поверхности оребренной трубы и трубах с ЧЗО

Основные выводы по третьей главе 93

Глава 4 Результаты экспериментального исследования теплоотдачи 94 при кипении хладагента 11410А с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО

4.1 Влияние концентрации масла на теплоотдачу при ки- 94 пении Я410А на различных поверхностях 4.1.1 Для оребренной трубы (трубы № 1) 94

4.1.2 Для труб с 430 97

4.2 Обобщение результатов по теплоотдаче при кипении 110

R410A с маслом на трубах с 430 Основные выводы по четвертой главе 112

Тепловой расчет и конструктивные расчеты судового гори- 114 зонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с 430

5 I Расчет горизонтального кожухотрубного испарителя 115

затопленного типа с оребренными трубами 5.2 Расчет горизонтального кожухотрубного испарителя 123 затопленного типа с трубами Y-профиля

Основные выводы по пятой главе 125

Выводы 127

Список использованных источников 129

Приложения 141

Перечень принятых условных обозначений и символов

Основные обозначения а - коэффициент температуропроводности, м2/с М- масса, кг ; массовый расход, кг/с г - удельная энтальпия, Дж/кг Аьиф - коэффициент диффузии, м2/с g - ускорение свободного падения, м/с2; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К) / - линейный размер, м С — постоянный коэффициент с - теплоемкость массовая, Дж/(кг.К) с1 - диаметр, м

Ио - отрывной диаметр парового пузыря, м

и — частота отрыва пузырей, 1/с

г - число центров парообразования

Ятт - критический радиус парового зародыша

Яг - высота микронеровностей поверхности нагрева, мкм

F - площадь, м2

- тепловой поток, Вт д - плотность теплового потока, Вт/м2 Р - давление, Па Л - приведенное давление Т - температура по шкале Кельвина, К

/ - температура по международной практической шкале 1968 г., °С Лг - разность температур (температурный напор), К или °С Ж - мощность, кВт со - скорость, м/с;

а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К)

ам - коэффициент теплоотдачи для хладоно-масляной смеси, Вт/(м2.К) Я - термическое сопротивление, (м2.К)/Вт г - удельная теплота парообразования, Дж/кг 8 - толщина, мм

V - объем, м3

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К) /л - динамический коэффициент вязкости, Па.с

V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с у — удельный объем, м3/кг

а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

- весовая концентрация масла, % р - плотность, кг/м3 т - время, с в - краевой угол

Остальные обозначения приведены в тексте

Критерии (числа) подобия

N11 = - критерий Нуссельта

рг = = — - критерий Прандтля

Я а

Яе = - критерий Рейнольдса и

Индекс

ст - стенка ж - жидкость т - труба п - пар

н - насыщение

м - масло ср - средний нар - наружный вн - внутренний шах - максимальный min - минимальный кр - критический ор - оребренной гл - гладкий

ЧЗО - частично замкнутый объем

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Задача о необходимости экономного и рационального расходования топливного-энергетических ресурсов - одна из важных задач энергетики России и Вьетнама. Как известно, судовые холодильные установки и системы кондиционирования воздуха на судах являются одними из наиболее энергоемких объектов. Для уменьшения расхода топлива и энергетических затрат на этих системах необходимо внедрение новых рабочих веществ и более эффективной теплообменной аппаратуры.

Кожухотрубные испарители затопленного типа, в которых рассол охлаждается внутри трубок, а хладагент кипит в межтрубном пространстве, широко применяется в средних и крупных судовых холодильных установок производительностью более 350 кВт на судах благодаря высокой энергетической эффективности. Данные аппараты обладают самыми большими габаритами и массой фреоновых холодильных машин. Повышение компактности, снижение массы, металлоемкости, стоимости и уменьшение энергозатрат этих аппаратов являются важными задачами. Решить их возможно путем интенсификации теплообмена.

Перспективным направлением в интенсификации теплообмена при кипении на наружной поверхности труб является применение труб с развитой поверхностью теплообмена. Высокая интенсификация кипения может быть получена с использованием труб с частично замкнутым объемом (ЧЗО). Трубы с развитой поверхностью теплообмена, а именно трубы с ЧЗО инициируют кипение при меньших перепадах температур и поддерживают его при низких тепловых потоках. Вследствие этого, кипение на трубе с ЧЗО характеризуется большими значениями коэффициента теплоотдачи, чем на гладких и оребренных трубах.

Несмотря на то, что метод интенсификации теплообмена с помощью труб с развитой поверхностью теплообмена известен уже давно, исследования с учетом факторов, таких как форма ребер, концентрация масла при кипении смесе-вых хладагентов на трубах с ЧЗО к настоящему времени недостаточно. Та как

кроме влияния давления, плотности теплового потока, шероховатости поверхности и материала труб воздействуют еще и еще другие факторы, такие как форма ребер, концентрация масла, а так же существенное влияние должна оказывать гидродинамика процесса в ЧЗО и др. То необходимо дальнейшее изучение влияния таких параметров, на теплообмен при кипении новых хладагентов, например, R410A на трубах с ЧЗО.

В настоящее время практически отсутствуют публикации работ по определению обобщенной формулы для коэффициентов теплоотдачи при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом на трубах с ЧЗО. Это исключало возможность рационального проектирования кожухотрубных испарителях затопленного типа с использованием труб с ЧЗО при кипении озонобезопасных хладагентов.

На основании вышеизложенного была определена необходимость проведения исследований по кипению хладагента R410 А и его смеси с маслом на трубах с ЧЗО в испарителях судовых холодильных машин.

Объект исследования - оребренная труба и трубы с ЧЗО.

Предмет исследования - процессы теплообмена при кипении хладагентов на наружной поверхности труб.

Целью научного исследования является Интенсификация теплоотдачи при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 в испарителях судовых холодильных машин с помощью труб с ЧЗО.

В соответствии с целью ставятся следующие задачи исследования:

1) разработана новая теплообменная труба с ЧЗО для интенсификации теплообмена при кипении на наружной поверхности труб.

2) создание экспериментальной установки для исследования теплоотдачи при кипении R410A и его смесей с маслом на трубах с разными поверхностями теплообмена.

3) получение новых экспериментальных данных о теплообмене при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 на оребренной трубе и трубах с ЧЗО в диапазоне, характерном для судовых холодильных установок и системы кондиционирования воздуха на судах.

4) выявление влияния плотности теплового потока, давлении, профиля ребер и концентрации масла на коэффициенты теплоотдачи при кипении R410A и его смеси с маслом BSE 32 на разных поверхностях теплообмена.

5) получение зависимостей, обобщающих экспериментальные данные, для расчета и проектирования судовых испарителей затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО.

6) выполнить тепловой расчет и конструктивные расчеты судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО.

Методы исследования. Методологической базой диссертации является исследования таких ученых как С.С Кутателадзе, Г.Н Данилова, В.А. Гоголин, Д.А. Лабунцов, W.M. Rohsenow, D. Gorenflo, M.K. Jensen, A.E. Bergles, L.H Chien, J.R. Thome, R.L Webb, M.A. Kedzierski и др.

В диссертационной работе использованы метод обработки и анализа статистических данных, метод последовательных приближений, метод наименьших квадратов, метод графоаналитических, метод половинного деления.

Научная новизна:

1) разработана новая теплообменная труба с развитой поверхностью теплообмена для интенсификации процесса теплообмена при кипении хладагентов в большом объеме и выявлены области наиболее эффективного ее применения.

2) впервые экспериментально количественно оценены влияние давления, плотности теплового потока, формы ребер и концентрации масла на теплоотдачу при кипении на трубах с ЧЗО хладагента R410A и его смеси с маслом.

3) получены новые критериальные уравнения, обобщающие экспериментальные данные по кипению хладагента R410A и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО.

4) разработана уточненная методика расчета судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО при кипении R410A и его смеси с маслом BSE 32.

На защиту выносятся:

- разработанные теплообменные трубы с ЧЗО;

- результаты экспериментальных исследований теплоотдачи при кипении хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32 на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;

- оценка влияния давления, плотности теплового потока, формы ребер и концентрации масла на теплоотдачу при кипении на трубах с ЧЗО хладагента R410A и его смеси с маслом BSE 32;

- полученные зависимости для расчета судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО при кипении R410A и его смеси с маслом BSE 32;

- рекомендации по применению труб с ЧЗО в испарителях судовых холодильных машин.

Достоверность результатов исследования. Цель исследования достигнута, благодаря тому, что она основана на новых экспериментальных данных отечественных и зарубежных авторов, на базе известных научных достижений в области кипения новых хладагентов на трубах с развитой поверхностью теплообмена. Использованы надежные поверенные контрольно-измерительные приборы для измерения давления, термо-ЭДС и электрической мощности.

Практическая значимость работы:

- разработана и предложена к использованию труба с ЧЗО;

- дополнен материал по кипению хладагента R41ОА и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО;

- полученные экспериментальные данные необходимые при проектировании и конструировании судовых испарителей затопленного типа, работающих на R410A и его смеси с маслом;

- получены уравнения, которые могут использоваться для проектирования и разработки испарителей затопленного типа на судах.

Личный вклад автора. В диссертацию включены теоретические и экспериментальные результаты, полученные лично автором либо в соавторстве с научным руководителем, в том числе: анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований по интенсификации процесса кипения хладагента Я410А и его смеси с маслом на оребренной трубе и трубах с ЧЗО, разработана труба с У-профилем, разработка и изготовление экспериментального стенда и методики проведения экспериментов, проведение экспериментальных исследований при кипении хладагента Я41ОА и его смеси с маслом на труб с развитыми поверхностями, обработка и обобщение экспериментальных данных и разработка рекомендаций по применению труб с ЧЗО в испарителях судовых холодильных машин. При проведении отдельных технических работ помощь оказали сотрудники кафедры «Холодильные машины», и др., за что автор выражает им признательность.

Апробация работы. Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось: на заседаниях кафедры «Холодильные машины», заседаниях Ученого совета института «Механико-технологический институт» ФГБОУ ВПО «АГТУ»; на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТУ» (2011 - 2013 гг.); научно-техническая конференция с международным участием «25-летие монреальского протокола по озонораз-рушающим хладагентам в контексте экологической бивалентности и доминирующей реальности» (г. Санкт-Петербург 01.2013 г.); международной заочной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук (II) (г. Пермь, 03.2013г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе 6 по списку ВАК Министерства образования и науки России, а также патент РФ № 123910 «Теплообменная труба».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Общий объем составляет 140 страницы машинописного текста, 47 рисунков, 4 таблицы. Список использованных источников включает 133 наименований.

Краткое содержание глав работы.

В первой главе представлен вопрос по интенсификации процесса теплообмена при кипении смесевого хладагента на трубах с частично замкнутым объемом в кожухотрубных испарителях судовых холодильных машин. Постановка целей и задач исследований.

Во второй главе представлена экспериментальная установка для исследования теплоотдачи при кипении Ы410А и его смесей с маслом на трубах с разными поверхностями теплообмена, а также методика проведения опытов и обработки результатов экспериментов.

В третьей главе содержатся результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении чистого Я410А на оребренной трубе и трубах с развитой поверхностью теплообмена. Представлены расчетные зависимости для расчета судового горизонтального испарителя затопленного типа с применением оребренных труб и труб с ЧЗО при кипении 11410А.

В четвертой главе представлены результаты обработки экспериментальных исследований теплоотдачи при кипении хладагента Я410А с маслом В8Е32 на оребренной трубе и трубах с развитой поверхностью теплообмена и проведен анализ полученных данных.

В пятой главе изложена методика расчета испарителя с кипением хладагента на наружной трубе с применением оребренной трубы и труб с ЧЗО.

В заключении приводятся основные выводы и результаты работы.

Диссертация выполнялась в ФГБОУ ВПО «АГТУ» на кафедре «Холодильные машины».

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТА НА ТРУБАХ С ЧАСТИЧНО ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМОМ В КОЖУХОТРУБНЫХ ИСПАРИТЕЛЯХ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН. ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ состояния проблемы интенсификация теплообмена в ко-жухотрубных испарителях судовых холодильных машин.

В настоящее время холодильные машины (ХМ) устанавливают практически на всех судах. Область их применения определяется типом и назначением судна. На судах всех типов ХМ используют для охлаждения провизионных камер и, главным образом, в составе установок (си