автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Закономерности теплообмена при кипении смеси холодильных агрегатов R22/R142b

г ь т ^

На правах рукописи

ШУРШЕВ ВАЛЕРИЙ ФЕДОРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ СНЕСИ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ Н22/1{142Ь

Специальность 05.14.05 - "Теоретические основы теплотехники"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной ' академии холода и пищевых технологий и Астраханском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Г.Н. Данилова Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор А. Г. Долотов, - доктор технических наук, профессор A.B. Шарков. Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности (ВНИХИ). г. Москва

Защита диссертации состоится " " марта 1997 года

в часов на заседании диссертационного совета К 063.02.01

Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, дом 9, диссертационный совет СПбГАХиПТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГАХиПТ

Автореферат разослан " " февраля 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук.

профессор

Л. А. Акулов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решению проблемы негативного воздействия на озон холодильных агентов из группы хлорфторуглеводородов были посвящены международные конференции и совещания, на которых конкретизированы вещества, разрушающие озоновый слой, сроки сокращения их производства и потребления. К таким веществам, в первую очередь, относится И2,' широко применяемый в холодильной технике.

Одним из экономичных путей замены Й12 является использование смесей холодильных агентов, имеющих свойства близкие к свойствам Я12, компоненты которых выпускаются отечественной промышленностью в достаточных объемах и имеют малую степень озоноактивности. Таким требованиям отвечает неазеотропная смесь Н22/1?142Ь. Каждый из ее составляющих применяется в холодильной технике. Озоноопасность этих веществ примерно в 20 раз меньше, чем у И2. Вместе с тем. вопросы теплоотдачи при кипении данной смеси недостаточно изучены.

Цель работы: установление закономерностей теплообмена при кипении смеси Р.22/Е142Ь в большом объеме и внутри горизонтальной трубы, получение уравнений для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении смеси Ц22/1и42Ь, обобщающих экспериментальные данные и отражающих влияние определяющих теплообмен параметров.

Научная новизна. Получены экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении смеси Н22/К142Ь в большом объеме и внутри горизонтальной трубы, установлена взаимосвязь коэффициента теплоотдачи при кипении смеси с основными рехимными параметрами: давлением (температурой) насыщения, плотностью теплового потока, концентрацией смеси, массовой скоростью. Выявлены особенности процесса кипения неазеотропной смеси в сравнении с однокомпонентными веществами, расширяющие общие представления о физической картине процесса кипения. Получены уравнения, обобщающие опытные данные при кипении К22Ли42Ь и других смесей.

Практическая значимость. Полученные расчетные соотношения для коэффициента теплоотдачи необходимы при проектировании и конструировании испарителей холодильных машин и тепловых насосов, работающих на неазеотропной смеси холодильных агентов. Выводы из работы могут быть использованы при переводе эксплуатируемого парка холодильных машин с Й12 на смесь И22/1?142Ь.

Реализация результатов работы. Результаты экспериментальных исследований использованы и внедрены в работах "Исследование процесса конденсации смесей бензинов с воздухом с помощью холодильной

машины в комплексе защиты воздушной окружающей среда при сливо-на-ливных операциях в цистерны" в СКВ "Транснефтеаьтоматика" г. Москва. "Исследование и интенсификация теплообмена в аппаратах холодильных установок ДР-1У-2А, работающих на смесях холодильных агентов" в НИЦ ЦИАМ г! Москва, "Разработка научных рекомендаций и их производственная апробация по переводу холодильного оборудования торговых и пищевых предприятий Астраханской области на экологически безопасные хладагенты", заказчик - Администрация Астраханской области. -

Автор защищает:

- экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении смеси Р22/Ш42Ь в большом объеме и внутри горизонтальной трубы;

- экспериментальные данные по теплоотдаче при кипении смеси 1?22/К142Ь с маслом ХФ12-16;

- данные о режимах течения смеси Е22/1?142Ь внутри горизонтальной трубы;

- расчетные зависимости для вычисления коэффициента теплоотдачи при кипении в большом объеме и внутри горизонтальной трубы.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности", Владивосток. 1989 г.; Всесоюзной конференции "Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и ка транспорте", Одесса, 1989 г.; Всесоюзных конференциях "Холод - народному хозяйству", Ленинград 1991 г., Санкт-Петербург, 1993 г.; Региональной и Международной научно-технических конференциях "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". Астрахань. 1994, 1995гг.; Всероссийском совещании "Холодильная техника России. Состояние и перспективы", Санкт-Петербург, 1995 г.; Международной научно-технической конференции "Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и транспорта", Калининград, 1996 г.; научно-практической конференции "Наука и тэхника в судостроении и судоремонте Волго-Каспийского бассейна", Астрахань. 1996 г.; Международной научно-технической конференции "Холод и пищевые производства", Санкт-Петербург, 1996 г.; на научно-технических конференциях Астраханского государственного .технического университета (до 1994 г. Астраханский технический институт рыбной промышленности и хозяйства) в 1989-1996 гг.

Публикации. По материалам исследования опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения. 4 глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 109 машинописных страниц основного текста, 32 рисунка, 7 таблиц, 145 источников литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Постановка задачи. В исследованиях процесса теплоотдачи при кипении смесей, выполненных Григорьевым Л. Н.. Ивановым 0.П., Стю-шиным Н.Г., Толубинским В.И.. Филаткиным В.Н.. Gorenflo D.. Jung D. S., Stephan К.. Thome J.R.. Van Stralen S. J.D. и другими учеными. выявлены особенности процесса'теплообмена при кипении неазе-очропных смесей в сравнении с однокомпонентными жидкостями, высказаны физические представления, объясняющие эти особенности. Представлены различные подходы к обобщению экспериментальных данных по теплоотдаче кипящих смесей. Предложенные полуэмпирические и эмпирические уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи требуют наличия опытных данных и. как правило, описывают теплоотдачу конкретных исследованных авторами смесей. Часть работ проведена со смесями углеводородов в диапазоне изменения режимных параметров, несвойственных аппаратам холодильной техники, достаточное количество материала имеется для смесей холодильных агентов, компоненты которых имеют высокую степень озоноактивности. 3 то же время теплообмен при кипении смеси R22/R142Ö полностью не изучен.

На основании вышеизложенного была выявлена необходимость опытного исследования теплоотдачи при кипении смеси R22/R142b - холодильного агента, альтернативного озоноопасному R12.

Методика и условия проведения экспериментов. Для решения задач, поставленных в работе, были созданы два экспериментальных стенда.

Для изучения теплоотдачи при кипении смесей на горизонтальной трубе в большом объеме был использован типичный для данных исследований стенд (рис. 1). дополнительно оборудованный ресиверами (3) и (4) для хранения агента и создания необходимой концентрации жидкости. Исследования проводились на гладкой медной трубе (2) с наружным диаметром 17.3 мм и рабочей длиной 300 мм с внутренним электронагревателем. Температуры поверхности трубы, пара и жидкости измерялись при помощи медь-константановых термопар. Концентра-

---—- -— 1 , С

1 ■ 1 6 8 9 6 —4 — в --0

11Ц мк , т* ^ . , .1_ЛУ Л—^%.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования теплоотдачи при кипении в большом объеме. 1 - кипятильник, 2 - экспериментальная труба. -3. 4 - ресиверы, 5 -конденсатор-испаритель, 6 - электролампы подсветки. 7. 8 - патрубки с вентилями для отбора проб для определения концентраций жидкостной и паровой фаз исследуемой смеси. 9 - манометр, 10 - компрессор низкого давления, 11 - компрессор высокого давления. 12 -конденсатор. 13 - водяной теплообменник, 14 - регулирующий вентиль.

$ * 1 к

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования теплоотдачи при кипении внутри горизонтальной трубы. 1 '- экспериментальная труба. 2 - ресивер, 3 - насос, 4 --уровне-держатель. 5, 6. 7 - мерные, емкости, 8 - конденсатор-испаритель, 9. ю - ресиверы, и - предварительный нагреватель, 12 - визуальный участок, 13. 14 - вентили, 15 - компрессор низкого давления, 16 - компрессор высокого давления. 17 - конденсатор. 18 - промежуточный сосуд, 19 - дроссельный вентиль.

ции пара и жидкости определялись с использованием газового хроматографа. Стенд для исследования теплоотдачи при кипении смесей внутри горизонтальной трубы (рис. 2) состоит из экспериментального и вспомогательного контуров. Процесс в экспериментальном контуре происходит следующим образом-. Исследуемая жидкость из ресивера (2 насосом (3) подается в экспериментальную трубу (1) через уровне-держатель (4) и мерную емкость (5). За счет подвода теплоты к трубе (1) жидкость кипит. Парожидкостная смесь из трубы (1) поступает в мерную емкость (6), откуда невыкипевшая жидкость направляется в ресивер (2), а образовавшийся пар - в конденсатор-испаритель (8), где конденсируется за счет отвода теплоты кипящим аммиаком из вспомогательного контура. Полученный конденсат стекает в мерную емкость (7) и далее сливается в реоивер (2).

Экспериментальная труба (1) представляет собой горизонтальную гладкую трубу из нержавеющей стали длиной 3320 мм. внутренним диаметром 13 мм и толщиной стенки 1 мм Для визуального наблюдения за структурой потока на входе и выходе из труба (1) установлены толстостенные стеклянные трубки (12). Тепловой поток, подводимый к холодильному агенту, создается путем непосредственного электронагрева трубы. Для измерения температур поверхности трубы и холодильного агента используются медь-константановые термопары, установленные в пяти сечениях по длине трубы на расстоянии 300, 700, ИЗО, 2220, 3120 мм от входа в трубу, расходы жидкости определялись объемным способом с использованием мерных емкостей (5), (6). [1).

Экспериментальные исследования в большом объеме и внутри трубы проводились при массовой концентрации И22 в жидкости £=0...1.0 кг/кг, давлении насыщения Р от 0.064 МПа до 0.631 МПа. плотности теплового потока ч от 1000 Вт/м2 до 15000 Вт/м2. При внутритрубном кипении массовая скорость ир изменялась от 50 кг/(мг-с) до 400 кг/(мг-с). массовое расходное паросодержанис- на входе в трубу во всех опытах было постоянным и равнялось 0 кг/кг.

Перед проведением экспериментов по кипению смесей в большом объеме и внутри трубы были выполнены предварительные исследования теплоотдачи при кипении компонентов смеси - !?142Ь и Р.22, показавшие удовлетворительную сходимость результатов с известными, опубликованными в литературе экспериментальными данными других авторов. что говорит о работоспособности стендов и правильности выбранных методик.

Анализ результатов экспериментальных исследований. При кипе-

нии в большом объеме установлено, что изменение коэффициента теплоотдачи а60 от концентрации смеси £ не подчиняется закону аддитивности (рис. 3). При повышении 4 от О кг/кг до 0.30 кг/кг происходит уменьшение ай0. a затем в области 0.40. .-.1.0 кг/кг наблюдается его увеличение. Как выявили специально проведенные хромато-графические исследования минимальное значение ай0 соответствует области с наибольшей разностью равновесных концентраций между паром и жидкостью. В сопоставимых условиях минимальное значение аб0 меньше величины коэффициента теплоотдачи R142b. Это можно объяснить следующим. При кипении смесей преимущественно выкипает низко-кипяший компонент R22, появляется диффузионное сопротивление, вызванное разностями концентраций между паром в пузыре, жидкостью в пограничном слое и объемом жидкости. В пристенном слое увеличивается содержание высококипящего вещества - R142K вследствие этого повышается температура насыщения данного слоя.• снижается его перегрев, уменьшается число действующих центров парообразования, что приводит к уменьшению аб0.

. Эта особенность процесса кипения смесей проявляется и на зависимостях аСо от плотности'теплового потока q, представленных в диссертации, из которых видно, что степень влияния q на аб0 изменяет свои значения, в среднем, от 0.75 при кипении чистых компонентов до 0.65 при 4=0.35 кг/кг.

■ На графических зависимостях а60 от давления насыщения Р (рис. 4) о данной особенности кипения смесей можно судить по изменению степени влияния Р на аб0, величина которой уменьшается как при увеличении q. так и в области 4=0.3...0.4 кг/кг. то есть там, где увеличивается диффузионное сопротивление и имеет место наибольшая разность концентраций жидкости в объеме и пристенном слое.

Опыты показали, что при 4 более 0.7 кг/кг значение аб0 при кипении R22/R142S выше, чем у R12.

Проведены исследования по влиянию масла ХФ12-16 на теплоотдачу при кипении смеси R22/Rl42b с 4=0.7 кг/кг. Массовая концентрация масла в смеси 4„ устанавливалась 0.01, 0.05, 0.1, 0.2 кг/кг. Как видно из рис. 5, увеличение 4* до 0.01 кг/кг и в некоторых случаях до 0.05 кг/кг приводит к росту коэффициента теплоотдачи при кипении, что связано с более ранним закипанием смеси с маслом. При дальнейшем повышении 4* наблюдается уменьшение коэффициента теплоотдачи. С ростом q и Р отрицательное влияние масла на теплоотдачу сказывается в большей степени. Это объясняется тем. что при

а6о

Вт

м2 -К 1400

1000

\

t=-15° С

600

L

4

V

£5-

.А

«6 0 Вт

м2 - К 1000

4-v

- v'iK-

У г

..

500

q=iO кВТ/М2___„

Г. —-—♦ Г5' «.ВТ/«!—-—»

. , - А —'

0.16 0.25 Р. МПа Рис. 4. Зависимость аб0=Г(Р) при кипении в большом объеме при 4=0.35 кг/кг.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 кг/кг Рис. 3. Зависимость аб0=»ИО при кипении в большом объеме

а„/аб0| 1.0

0. 7 0. 5

К \ -Р=0.19 irP=Ö. 27 <-Р=0. 53 1 МПа 8 МПа 9 МПа

q=5 кЕ т/м24^

4=0.7 кг/кг

а

Вт м2-К 1000

500

переходный режим кольцевой

TL

волновой режим |

.Расслоен

снарядный режим

0.07 о:15 кг/кг Рис.5. Зависимость ак/а60={(4„) при кипении в большом объеме

а

Вт

0.5 .1.0 2.0 1, м Рис. 6. Зависимость a=f(l)

1 -wp=100 кг/(м2-с).ч=1кВт/м2. 4ВХ=0.70 кг/кг. Р=0.539 МПа.

2 -wp=50 кг/(мг•с),q-ЮкВт/м2, 4ВХ=0.35 кг/кг. Р=0.269 МПа,

3 -wp=200 кг/(мг-с).я=10кВт/м2, 4ВХ=0.25 кг/кг. Р=0.109 МПа

а,

рас Вт

80 150 wp, КГ/(М2 Рис. 7. Зависимость a= f(wp) при кипении в трубе ¿¿»А - расчет по формуле (11) t?*' - расчет по локаль.ным a

м2 - К 1500 1000 500

■с)

i.

+2С V kg s¡^Т -20 [У

Вт/(м2-К)

500 1500 аэ Рис. 8. Сопоставление опытных и вычисленных по уравнению (И) - значений а.

кипении смеси с маслом происходит обеднение пограничного слоя Я22 и К142Ь, что вызывает увеличение концентрации масла в слое жидкости, омывающем пузырь, повышается температура жидкости у теплооб-менной поверхности и-уменьшается эффективная разность температур.

При исследовании процесса кипения внутри трубы проводились наблюдения за структурой потока смеси на входе и выходе из экспериментальной трубы.

Визуальные наблюдения за характером течения на выходе из трубы позволили выявить следующие режимы течения: снарядный, волновой. расслоенный, переходный, кольцевой.

Опытные данные о структуре потока на выходе из трубы были сопоставлены с известными картами режимов. Хорошее совпадение получено при использовании диаграммы, предложенной А.А.Малышевым. Вместе с тем. при массовой скорости 50 кг/(м2-с) снарядный режим течения потока не наблюдался, а зона его существования с ростом критерия Фруда, вычисленного по скорости циркуляции, распространялась в область с большим значением истинного объемного паросодер-жания.

Обнаружено, что, величина локального коэффициента теплоотдачи а изменяется по мере движения потока 110 трубе, при этом характер изменения а, в общем случае, немонотонен и обусловлен структурой потока и режимными параметрами. Рост паросодержания приводит как к увеличению, так и к уменьшению значения коэффициента теплоотдачи (линия 3 на рис. 6). Вместе с тем. если на протяжении всей длины трубы наблюдаются один режим течения (линия 1 на рис. 6) или режимы, у которых теплоотдача с ростом паросодержания смеси изменяется в одном направлении, например', волновой и расслоенный, (линия 2 на рис. 6), то изменение локального коэффициента теплоотдачи в данном случае имеет монотонный характер. При снарядном режиме течения рост паросодержания приводит к повышению а. так как увеличивается истинная скорость жидкости. При появлении волнового и расслоенного режимов происходит уменьшение значения коэффициента теплоотдачи, это объясняется тем.' что по мере движения потока по трубе, происходит выкипание из него жидкости, верхняя часть сечения трубы заполняется паром, уменьшается часть сечения трубы, соприкасающаяся с жидкостью.- При переходном и, далее, при кольцевом режимах течения потока площадь поверхности сечения трубы, омываемая жидкостью, увеличивается, повышается истинная скорость жидкости, что благоприятно сказывается на теплоотдаче и ведет к ее увеличению.

- И -

При кипении внутри трубы интенсивность теплоотдачи зависит от режимов течения потока и определяется взаимным влиянием пузырькового кипения и вынужденной конвекции. Это можно наблюдать при анализе зависимостей среднего коэффициента теплоотдачи а от массовой скорости чф (рис. 7). При увеличении q степень влияния етр на а уменьшается, это подтверждает тот факт, что относительный вклад пузырькового кипения в теплоотдачу зависит от ц и с его ростом увеличивается.

Аналогичный вывод можно сделать при анализе зависимостей а=Г(я) и а=ИР). представленных в диссертации.

Обобщение экспериментальных данных. Для обобщения полученных экспериментальных данных при кипении смеси К22/П14.2Ъ в большом объеме предложена методика, учитывающая особенности теплообмена смесей с помощью безразмерного комплекса Кк, отражающего отклонение действительного коэффициента теплоотдачи аб0 от рассчитанного по правилу аддитивности аад:

«60 - Яал • Кк (1)

Величина коэффициента теплоотдачи при кипении смеси в большом объеме меньше значения аад- Данное уменьшение, как показал анализ экспериментальных данных, зависит от многих величин, в частности, от разности равновесных концентраций между паром и жидкостью Д^, концентрации смеси, давления (температуры) насыщения и других параметров. Причем, минимум аб0, а, следовательно, и наименьшие значения Кк приходятся на область с максимальной Д£.

На основании статистического регрессивного анализа опытных данных для комплекса Кк получена следующая зависимость:

Кк = 1/(1 + А • А(,с • (2), где

А. с. с! - коэффициенты, определяемые расчетным путем при анализе экспериментальных данных.

Применение формулы (2) требует знания значения Д£, получаемого из обработки результатов специально проведенных хроматографи-ческих исследований. Для определения предложена корреляция в зависимости от концентрации смеси и давления насыщения:

Д£ = 0.94 • р"0-085 • 40-75 • (1 - £0-85) (3), здесь Р - давление насыщения. МПа.

Величина относительной ошибки экспериментальных данных от вычисленных по выражению (3) лежит в диапазоне ¿5%.

Для случая расчета аддитивного значения коэффициента теплоотдачи при постоянном давлении насыщения получены следующие значения

- 12 -

коэффициентов А=1.40. с-0.35, сЮ.40.

С учетом уравнения (3) формула (1) для определения а60 после соответствующих преобразований и упрощений примет вид: Дггр - 4 + в>42р • (1 - Ц а"0" 1 + 1.42 • 4°'6е • (1 - 4°-85)0.35

о-ггр. о-игр ~ коэффициенты теплоотдачи при кипении в большом объеме, соответственно, 1?22 и И142Ь при постоянном давлении насыщения Р, рассчитанные по формулам, предложенным Г.Н. Даниловой.

Формула (4) обобщает 97 % полученных экспериментальных данных в области кипения в исследованном диапазоне изменения режимных параметров, с относительной погрешностью ¿15%.

Для проверки правильности принятой методики, заложенной в уравнение для обобщения опытных данных по теплоотдаче при кипении смеси в большом объеме,' проведена обработка известных экспериментальных материалов по кипению смесей К\2/Я22 и К13/К22, показавшая работоспособность использованной методики и правильность выбранного подхода.

При обобщении .экспериментальных данных для локального коэффициента теплоотдачи при кипении внутри трубы за основу принимались известные формулы, описывающие теплоотдачу при кипении одно-компонентных веществ, в которых особенности теплообмена при пузырьковом кипении смесей учитывались через а60.

Для обобщения опытных данных при снарядном и переходном режимах было использовано уравнение С. С. Кутателадзе:

" Окон " /1 + (або/ССкон)2 (5)

■ В уравнении (5) коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции жидкости ако„ рассчитывается по известным из литературных источников расчетным зависимостям по истинной скорости жидкости, в которых в качестве определяющего размера применяется эквивалентный диаметр сечения, занятого жидкостью, а аб0 вычисляется в соответствии с уравнением -(4) по концентрации жидкости в конкретном сечении На основе обобщения экспериментальных данных хроматографи-ческого исследования для расчета ^ получено уравнение, связывающее ^ с концентрацией Й22 на входе в трубу £вх и массовым расходным паросодержанием в сечении х^

- 4вх - 0.26 • хЛ75 • Ьх0'45 (6)

Обработка экспериментальных данных при волновом и расслоенном режимах производилась также по интерполяционному методу с учетом

того, что часть сечения трубы, омываемая жидкостью, уменьшается с ростом истинного объемного паросодернания «рь

<*рас = «кон • /l + (аб0/ак0„)г • (1 - <Pi)0-2 (7)

Здесь и далее истинное объемное паросодержание рассчитывали по уравнению, предложенному А.А. Малышевым, Г. Н. Даниловой, В. М. Азарсковым.

Результаты 'исследований при кольцевом режиме обобщали по методу В. М. Боришанского и А. А. Андреевского, для случая кипения хладагентов в уравнении используются не расходные, а истинные скорости фаз и изменено численное значение коэффициента:

акол=а»ч-/1+32.0-10"9-(w"-r-p'/q)1-5-(a6o/awq)2 (8), где

w" - истинная скорость пара. м/с.

Относительная погрешность экспериментальных данных от вычисленных по формулам (5), (7), (8) в 95% случаях не превышает 25%.

Из рис. 7 видно, что расчетные значения среднего для грубы коэффициента теплоотдачи, вычисленные по локальным коэффициентам теплоотдачи с учетом режимов течения потока.- удовлетворительно описывают экспериментальные данные.

В случае неполного выкипания жидкости для расчета среднего коэффициента теплоотдачи получено уравнение, в его основе лежит идея J. С. Chen, согласно которой предполагается, что при кипении внутри трубы оба механизма переноса теплоты - пузырьковое кипение и конвекция проявляются во всем диапазоне изменения параметров, а их вклады суммируются.

Анализ опытных данных, визуальные наблюдения за структурой потока на выходе из трубы, проведенные предварительные расчеты показывают, что в исследованном диапазоне изменения режимных параметров с ростом истинного объемного паросодержания вклад пузырькового кипения, как правило, возрастает, а конвективная составляющая уменьшается. Для определения вклада пузырькового кипения предложено уравнение:

aq = А - а60' <¡>b (9), где

A, b - коэффициенты, определяемые на основании анализа опытных данных, (tío вычисляется по уравнению (4) при средней концентрации в трубе, ф - среднее истинное объемное паросодержание. рассчитанное как среднеарифметическое между величинами на входе и выходе из трубы.

Для вычисления вклада конвекции в теплоотдачу предложено уравнение:

а, - С • акои- (1 - <р)а (10). где

С, с1 - коэффициенты,; определяемые на основании результатов экспериментов, сско„ рассчитывается по уравнениям для вынужденного движения в зависимости от режима течения по истинной скорости жидкости и эквивалентному диаметру сечения, занятого жидкостью, вычисленного с учетом <р.

Тогда средний коэффициент теплоотдачи при кипении в горизонтальной трубе определяется по выражению:

а • А ■ ай0• ч>ь + с • акон- (1 - «р)" (И)

Для случая кипения смеси Я22/Л1А2Ъ внутри горизонтальной трубы получены следующие значения коэффициентов А-0.85, Ь=0.55. 01.0, (1-0.45.

Сопоставление опытных и расчетных значений коэффициентов теплоотдачи представлено на рис. 8, из которого видно, что величина относительной погрешности расчетных значений среднего коэффициента теплоотдачи, вычисленных по уравнению Щ), от-опытных данных в девяносто пяти процентах случаев находится з диапазоне ±20%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально для смеси Е22/Е142Ь подтверждено, что процесс кипения смеси отличается от процесса кипения однокомпо-нентных веществ', что связано с появлением диффузионного сопротивления. вызванного разностью концентраций в паровом пузыре, в пристенном слое и в объеме жидкости.

2. Выявлен сложный характер влияния концентрации смеси на теплоотдачу, обусловленный совместным влиянием процесса массообме-на и тешгофизических свойств смеси на интенсивность парообразования при прочих равных условиях. Минимум теплоотдачи при кипении К22/РЛ4.2Ь в большом объеме наблюдается в диапазоне концентраций И22 в жидкости 0.3...0.4 кг/кг, которому соответствует область с максимальной разностью равновесных концентраций между паром и жидкостью.

3. Установлено, что при кипении 1222/151426 внутри горизонтальной трубы характер влияния состава смеси на теплообмен обусловлен совместным действием массообмена, теплофизических свойств смеси, пузырькового кипения, вынужденной конвекции.

4. При концентрации 1522 в жидкости более 0.70 кг/кг коэффици-

ент теплоотдачи исследованной смеси больше, чем у И12, что свидетельствует, с точки зрения теплообмена, о практической пригодности смеси в качестве холодильного агента при переводе оборудования с И12 на 1?22/М42Ь.

5. Опытным путем выявлено, что при концентрации масла 0.01 кг/кг и. в некоторых случаях, при 0. 05 кг/кг теплоотдача увеличивается по сравнению с кипением смеси без масла, дальнейшее повышение концентрации масла б смеси приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи.

6. Предложены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении неазеотропной смеси, отражающие влияние режимных параметров: плотности теплового потока, давления насыщения, массовой концентрации смеси, массовой скорости, истинного объемного паросо-держания, обобщающие не только представленные в работе экспериментальные материалы, но и данные для других неазеотропных смесей. Получены уравнения для вычисления разности равновесных концентраций между паром и жидкостью, а также для расчета концентрации жидкости при внутрйтрубном кипении смеси в любом сечении трубы.

7. Разработан алгоритм и блок-схема расчета испарителя с внутритрубным кипением при работе на нг '.зеотропной смеси.

8. Результаты работы позволяют выполнить тепловые расчеты и проектирование испарителей холодильных машин и тепловых насосов при работе на смеси Й22/Й142Ь.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту В. Г. Букину за ценные замечания и указания при выполнении настоящей работы.

Основной материал диссертации опубликован в работах:

1. Букин В.Г.. Шуршев В. Ф. Экспериментальная холодильная установка, работающая на смеси хладагентов, предназначенная для конденсации паров бензина из их смеси с воздухом. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Холод - народному хозяйству". - Л.: ЛТИХП. 1991 г., с. 84.

2. Шуршев Б.Ф., Букин В.Г. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов внутри трубы. / В сб. "Проблемы теплофизики теплообмена в холодильной технике". Межвузовский сборник научных трудов. -С.-Петербург: СПбГАХиБТ, 1994 Г., с. 77 - 81.

3. Шуршев В.Ф., Букин В.Г. Исследование теплоотдачи при кипении смеси R22/R142Ü в большом объеме. / В сб. "Проблемы теплофизики теплообмена в холодильной технике". Межвузовский сборник научных трудов. - С, - Петербург: СПбГАХиПТ. 1994 Г., с. 87 - 91.

4. Шуршев В.Ф. Разработка элементов САПР холодильной машины, работающей на озонощад..щей смеси R22/R142b. // Тезисы докладов региональной научно-практической конференции "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". - Астрахань: АГТУ, 1994 г. с. 73.

5. Шуршев В.Ф.. Букин В.Г.. Данилова Г.Н. Исследование теплоотдачи при кипении смеси R22/R142b внутри горизонтальной трубы. // Тезисы докладов Всероссийского совещания "Холодильная техника России. Состояние и перспективы". - С.-Пб.: СПбГАХиПТ. 1995 г.. с. 7.

6. Шуршев В.Ф.. Букин В.Г.. Ковтун В.Г. Обработка экспериментальных данных по кипению смесей фреонов в трубах с использованием пакета QUATRO PRO. // Тезисы докладов Второй Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". - Астрахань: АГТУ. 1995 г. с. 28.

7. Шуршев В. Ф.'.Закономерности изменения температурного напора при кипении смеси R22/R142b в большом объеме // В сб. научных трудов "Вестник Астраханского государственного технического университета". Выпуск 2. - Астрахань: АГТУ. 1996 г., с. 182 - 185.

8. Букин В.Г., Шуршев В.Ф.. Данилова Г.Н. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении смеси R22/R142b в испарителе холодильной машины // Холодильная техника, 1996, N 3, с. 10-11.

9. Шуршев В. Ф., Букин В.Г. Работа испарителей малых холодильных машин при замене R12 на озононеактивную смесь R22/R142b // В сб. тезисов докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 30-летию БГА РФ "Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и транспорта". - Калининград: БГА РФ. 1996 Г., С. 64.

10. Шуршев В. Ф.. Букин В. Г.. Данилова Г.Н. Теплообмен при кипении смеси R22/Rl42b в испарителях холодильных машин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Холод и пищевые производства". -С.-Пб.: СПбГАХиПТ. 1996 г.

Подписано к печати 04.02.97. Формат 60x84 I/I6. Бум. писчая. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Типаж 100 экз. Заказ № 37.

Бюро техники кондиционирования и охлаждения. I9I002, Санкт-Нетербупг, ул.Ломоносова, 9