автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Закономерности теплообмена при конденсации и кипении неазеотропных смесей холодильных агентов

Г Г и ОД

На правах рукописи ; ' УДК 621.1.016

Букин Владимир Григорьевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ И КИПЕНИИ НЕАЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ ХОЛОДИЛЬНЫХ АГЕНТОВ.

Специальность 05.14.05-теоретические основы теплотехники.

Автореферат диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре "Холодильные машины" Астраханского государственного технического университета и кафедре "Теоретические основы тепло-и хладотехники" Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Данилова Г.Н.

доктор технических наук, профессор Платуноп Е.С., доктор технических наук, профессор Зысин Л.В., доктор технических наук, профессор Шарков A.B.

Всероссийский научно-исследовательский холодильный институт (ВНИХИ).

Защита состоится ¡4 мая 1998 г., в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д. 063.02.01 при Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий в ауд. 2219 (по адресу: 192002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГАХиПТ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, учёный Совет СПбГАХиПТ.

Автореферат разослан % апреля 1998 г.

Учёный секретарь ( _____--/у^Ц^'Л

диссертационного Совета Л.С.Тимофеевский

доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы.

Актуальность. В связи с решением Монреальской конференции большинство развитых стран Мира прекратили производство хладагента II12. В России его производство резко сокращено и в скором времени будет прекращено полностью. Парк оборудования, работающего на Ш2, огромен.

Новое оборудование будет работать на новых хладагентах, а для действующего нужно найти такое озононеактивное рабочее вещество, которое позволило бы доработать ему свой ресурс. Перевод его на новые хладагенты требует больших финансовых затрат на закупку рабочих веществ и сопутствующих им компонентов и имеет ряд эксплуатационных недостатков. Использовать Я22 вместо Ш2 практически невозможно.

В России лучшим вариантом, позволяющим действующему оборудованию доработать свой срок, является перевод его на неазео-тропную смесь хладагентов (НСХА), компоненты которой выпускаются российской промышленностью, свойства близки к Ш2, а озоно-активность минимальна.

Известно, что теплоотдача при фазовых переходах смесей и чистых хладагентов значительно отличается. Отсюда следует, что главные изменения характеристик холодильных машин при переводе их на смеси будут определяться изменением качества работы испарителей и конденсаторов, поэтому определение закономерностей теплообмена при кипении и конденсации неазеотропных смесей в отличие от чистых веществ является ключевой частью этой актуальной проблемы. Кроме того, использование НСХА может обеспечить повышение эффективности холодильных машин из-за снижения необратимых потерь в процессах теплообмена рабочего вещества с внешними источниками, характеризующимися значительной неизотермич-ностью.

До недавнего времени основные разработки касались свойств НСХА, эффективности циклов и возможности работы холодильных машин на смесях, а изучению теплообмена уделялось недостаточно внимания, поэтому установление закономерностей теплообмена при конденсации и кипении неазеотропных смесей, выдача рекомендации качественного и количественного состава рабочей смеси для замены Ю2 и апробация результатов исследований является важной и актуальной научно-технической проблемой.

Цели и задачи исследования. - 1. Установление закономерностей теплообмена при конденсации НСХА на поверхности и внутри горизонтальных труб. Для этого необходимо выполнить аналитическое ре-

шение задачи по конденсации двухкомпонентной смеси на горизонтальной трубе. Выполнить экспериментальное исследование теплообмена при конденсации смесей из объема и внутри трубы. Получить уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи, обобщающие экспериментальные данные и отражающие влияние параметров, определяющих теплообмен. Выполнить сопоставление аналитического решения и экспериментов.

2. Установление закономерностей теплообмена при кипении НСХА. Для этого необходимо исследовать теплообмен при кипении смесей в большом объеме и внутри трубы. Получить уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи, обобщающие экспериментальные данные и отражающие влияние параметров, определяющих теплообмен.

3. На основании выполненных исследований выбрать смесь, которая может заменить R12. Определить диапазон концентраций смеси, рекомендуемый к использованию в холодильной технике. Определить свойства данной смеси. Построить тепловые диаграммы, необходимые для расчета циклов холодильных машин, работающих на смесях.

4. Выявить возможность, особенности и результаты замены R12 на рекомендуемую смесь в действующих холодильных установках и апробировать результаты исследований. Для этого необходимо определить изменения параметров и характеристик различных холодильных машин, исследовать изменение теплопередачи испарителей и конденсаторов и выдать рекомендации по переводу холодильных машин с R12 на НСХА.

Научная новизна. Впервые выполнено комплексное экспериментальное и аналитическое исследование процессов теплообмена при конденсации и кипении трех бинарных НСХА во всем диапазоне изменения концентраций и режимных параметров, характерных для работы холодильных и теплонасосных установок. В результате исследования:

• выполнено аналитическое решение задачи по конденсации бинарной смеси на горизонтальной трубе,

• установлены качественные и количественные закономерности теплообмена при конденсации НСХА как на поверхности, так и внутри горизонтальной трубы, выявлены особенности процесса конденсации смесей по сравнению с однокомпонентными веществами, получены обобщающие уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи,

• установлены закономерности теплообмена при кипении НСХА в большом объеме и внутри горизонтальных труб, выявлены особенности процесса кипения смесей по сравнению с чистыми хладагентами,

выполнена оценка влияния масла и оребрения на теплообмен смесей. Получены зависимости, обобщающие экспериментальные данные,

• составлено уравнение для расчета разности равновесных концентраций в паре и жидкости у всех исследованных смесей,

• получены характеристики испарителей и конденсаторов холодильных машин при работе на смесях,

• определены закономерности изменения характеристик холодильных машин и их составных частей при переводе с Ш2 на неазеотроп-ную смесь 1122/11142Ь.

На защиту выносятся: аналитическое решение задачи пленочной конденсации бинарной смеси на поверхности горизонтальной трубы.

Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении и конденсации НСХА на наружной поверхности и внутри горизонтальных труб. Обобщенные соотношения для расчета теплоотдачи при конденсации и кипении смесей.

Результаты испытаний конденсаторов и испарителей в схемах холодильных машин, работающих на смесях.

Экспериментальные и расчетные зависимости для определения разности равновесных концентраций и Т-Е, диаграммы исследованных смесей; тепловые диаграммы Т-5 для смеси Я22Л1142Ь с концентрациями 0.6 кг/кг и 0.7 кг/кг.

Закономерности изменения характеристик холодильных машин и их составных частей при переводе с Ш2 на смеси Я22/К142Ь. Практическая ценность. Получены расчетные соотношения по теплообмену, необходимые при проектировании и эксплуатации аппаратов холодильных машин и тепловых насосов, работающих на НСХА.

Обоснован выбор смеси, для замены озоноразрушающего Я12 в действующем холодильном оборудовании. Определен диапазон концентраций смеси, рекомендованный к внедрению в холодильную технику.

Установлена возможность и особенности использования смеси 1122/11142Ь в холодильном оборудовании. Получены характеристики холодильных машин при работе на смесях.Разработаны рекомендации по переводу холодильных машин с Ш2 на 1122/11142Ь.

Построены тепловые диаграммы для рекомендуемых смесей, необходимые для расчета циклов холодильных машин. Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса» Кишинев, 1987 г. Всесоюзной конференции "Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности" Владивосток, 1988 г., Всесоюзной конфе-

ренции "Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и транспорте" Одесса, 1989 г, Всесоюзной конференции "Тепловые насосы в народном хозяйстве" Калининград, 1990 г; Всесоюзной конференции "Холод - народному хозяйству" Ленинград, 1991 г., Межреспубликанской конференции "Совершенствование холодильной технологии для эффективного хранения и переработки сельхозпродукции" Краснодар, 1992 г, Всероссийской конференции "Холод -народному хозяйству" Санкт - Петербург, 1993 г, Всероссийском совещании "Холодильная техника России. Состояние и перспективы" Санкт-Петербург, 1995 г, Международной конференции «Научно -технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота» Калининград, 1996, Международной конференции «Холод и пищевые производства» Санкт - Петербург, 1996 г., Всероссийской конференции «300 лет Российскому флоту» Астрахань, 1997. Международной конференции комиссий D2/3 и В2 международного института холода "Использование холода на транспорте в регионах с жарким климатом" Астрахань, 1997 г, на научно технических конференциях АГТУ с1985 по 1997 г.

Результаты работы использованы и внедрены в СКВ "Транснефтеавтоматика" г. Москва "Исследование процесса конденсации смесей бензина с воздухом с помощью холодильной машины в комплексе защиты воздушной окружающей среды при сливо-наливных операциях в цистерны.", в научно - исследовательском центре ЦИАМ г. Москва "Исследование и интенсификация теплообмена в аппаратах холодильных установок ДР-1У-2А, работающих на смесях холодильных агентов", АО "Торгтехника" г. Астрахань "Разработка научных рекомендаций и их производственная апробация по переводу холодильного оборудования торговых и пищевых предприятий Астраханской области на экологически безопасные хладагенты.". Материалы диссертации используются в учебном процессе при изучении курсов «Холодильные машины» и «Эксплуатация, ремонт и монтаж холодильных установок», читаемых на кафедре холодильных машин АГТУ. На их основе подготовлены к печати с грифом УМО специальности 070200 и рекомендованы к изданию Госкомитетом Российской Федерации по рыболовству методические пособия «Малые холодильные машины, работающие на смесях холодильных агентов» и «Теплоотдача при конденсации и кипении неазео-тропных смесей холодильных агентов». В соавторстве написана глава в книге «Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин» под редакцией A.A. Гоголина, получено три авторских сви-

детельства и приоритетные справки на изобретение, опубликовано более 50 печатных работ.

Работа обобщает многолетние исследования и разработки .выполненные автором диссертации и под его руководством, начиная с 1983 года в Астраханском государственном техническом университете и в Санкт-Петербургской Государственной академии холода и пищевых технологий, является составной частью Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления раздела 2 «Машиностроение» Российской Академии Наук, включено- в план перспективных научно-технических программ Международной Академии Холода по секции теоретических основ холодильной и криогенной техники, программы госбюджетных работ СПГАХиПТ и АГТУ, программы «Энергосбережение» Администрации Астраханской области и хоздоговорных работ с различными промышленными предприятиями и организациями.

Различные направления диссертации разрабатывались совместно с аспирантами Ребровым П.Н., Жувагиным Г.Л., Кузьминым

A.Ю., Комаровым В.В., Шуршевым В.Ф., Забродиным Н.В. и Ежовым A.B.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения и содержит 2>ч страниц текста, 1о таблиц, iS рисунков, список использованной литературы включает 2П наименований.

Содержание работы.

В работах по теплообмену неазеотропных смесей, выполненных Григорьевым Л.Н., Берманом Л.Д., Бобе Л.С., Бохановским Ю.Г., Двойрисом А.Д., Доманским P.A., Ивановым О.П., Козицким В.И., Стюшиным Н.Г., Толубинским В.И., Филаткин В.Н., Чайковским

B.Ф., Кольером Д., Rohlin P., Singal L., Van Stralen S.J., Stephan К., Sparrow E.M., Thome J.R. и другими учеными, приведены материалы, свидетельствующие об особенностях процесса теплообмена при кипении и конденсации НС в сравнении с чистыми веществами. Высказаны физические представления, объясняющие эти особенности. Имеющиеся аналитические решения, выполненные для бинарных смесей, не дают требуемого согласования с экспериментом, особенно при малых тепловых нагрузках, что как раз и характерно для работы аппаратов холодильных машин. Наиболее полно учтено влияние различных факторов на процесс конденсации двухкомпонентного пара на вертикальной поверхности. Задачи по конденсации смеси на горизонтальной трубе решены при существенных упрощениях.

Большинство экспериментальных работ выполнено со смесями углеводородов в диапазоне изменения режимных параметров, несвойственном аппаратам холодильной техники, а число работ, посвященных исследованию кипения и конденсации озононеактивных бинарных НСХА, крайне ограничено, и они проводились одновременно с исследованиями автора.

Предложенные разными авторами полуэмпирические и эмпирические уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи требуют наличия экспериментальных данных для каждой конкретной смеси и не могут быть распространены на другие смеси без достаточных на то оснований. В имеющихся литературных данных можно отметить значительные, в основном, количественные несогласования.

В последнее время появились работы по теплообмену смесей холодильных агентов, рекомендуемых вместо озоноразрушающих хладагентов, но большинство из них многокомпонентны и имеют одну строго фиксированную концентрацию. Некоторые из этих исследований выполнены в испарителях и конденсаторах в схемах холодильных машин и результаты экспериментов трудно использовать для обобщения. В то же время такая перспективная, с точки зрения ее применения в холодильной технике, смесь хладагентов, как Я22/Я142Ь, практически не изучена.

Имеющийся опыт показывает, что использование НСХА, как рабочих тел в холодильных машинах, возможно, а иногда и целесообразно. Но в большинстве ранее выполненных работ исследовались смеси с высокими озоноразрушающими свойствами, поэтому в настоящее время применение этих смесей невозможно. Полученные в последнее время за рубежом озононеактивные многокомпонентные смеси обеспечивают неплохие характеристики холодильных машин, но имеют ряд существенных недостатков, затрудняющих у нас их практическое применение.

Все вышеперечисленное позволяет считать, что для выполнения условий рационального применения холодильных машин и теплооб-менных аппаратов, использующих в качестве рабочих тел НСХА, а также для получения обобщенных зависимостей для расчета и проектирования такого оборудования, необходимо проведение комплексного исследования в условиях, характерных для работы холодильных машин, во всем диапазоне изменения концентраций. Свойства рабочих тел. Для решения поставленной задачи и последующих расчетов необходимо иметь данные по теплофизическим термодинамическим свойствам смесей и составляющих их компонентов. При компьютерной обработке справочных данных была получе-

на зависимость свойств чистых хладагентов Ш2, 1122, Ш42Ь, ШЗ от температуры насыщения.

Расчет вязкости и плотности паровой смеси, коэффициент диффузии, теплопроводность и плотность жидкости проводился по имеющимся в справочниках формулам. Так как теплофизические свойства хладагентов мало отличаются, теплота их смешения составляет не более 3 процентов, и смеси в исследуемом диапазоне близки к идеальным, расчет необходимых, но неизвестных нам теплофизиче-ских свойств смесей 1122/1112; К22/Ш42Ь; ЮЗЛ122 производится по закону аддитивности. Сравнение полученных значений с экспериментальными данными, имеющимися для некоторых свойств этих смесей, подтвердили правильность выбранного решения.

Одним из важных свойств смеси, определяющих теплообмен при фазовых переходах, является разность равновесных концентраций между паром и жидкостью При проведении хроматографиче-ского анализа составлено уравнение для расчета Д^ в зависимости от давления и концентрации смеси

В исследованиях и расчетах теплоотдачи при конденсации за определяющую концентрацию принимается концентрация пара, при кипении - концентрация жидкости. В диссертации приведены численные значения коэффициентов А, В, С, Б для исследованных смесей 1122/1112, К22Ш42Ь, ЮЗ/т.

Построение диаграмм. Для анализа результатов опытов по теплообмену и проведения расчетов необходимо иметь диаграммы исследованных смесей. Диаграммы Т-^ построены на основании экспериментальных данных в диапазоне изменения температур насыщения 223 К до 323 К во всем диапазоне изменения концентраций. Построенные диаграммы сравнивались с расчетами, полученными в С-ПбГАХиПТ с использованием модификации уравнения Редриха - Квонга и диаграммами, имеющимися в литературе и построенными на основании экспериментальных данных. Сравнение показало хорошее согласование.

На основании данных диаграмм и теплофизических свойств смесей построены тепловые диаграммы Т-Б для смеси Я22Л1142Ь с концентрацией 0.6 и 0.7 кг/кг по 1122, так как именно этот диапазон концентраций рекомендован нами к применению в холодильных машинах. Проверка подтвердила достоверность предложенных тепловых диаграмм и возможность их практического применения.

( 1 )

Теплообмен при конденсации. Аналитическое решение. В аналитическом решении рассматривается модель пленочной конденсации бинарного пара на изотермической Т„ поверхности горизонтальной трубы. На рис. 1 представлена расчетная схема задачи. Конденсат представляет собой однородную по сечению смесь компонентов,

движущуюся ламинарно под действием силы тяжести, толщина пленки мала по сравнению с радиусом трубы. Пар в объеме находится в состоянии насыщения при температуре Т„о и концентрации г;х. Вынужденная конвекция отсутствует, движение пара ламинарное. Естественная конвекция и диффузия в паровой фазе зависят от градиентов плотности и концентрации компонентов. Поверхность раздела фаз находится в состоянии насыщения при Ть

Явление переноса характеризуется условиями непрерывности, сохранения и равновесия на поверхности раздела фаз и описывается системой

дифференциальных уравнений, записанной в координатах, одна из которых Б направлена по касательной к поверхности, а другая п - по нормали к ней.

Рис.1. Расчетная схема.

„ди ,.ди

и-+ К-= V

дБ дп

ди

д2Ц дп2'

! Ра

. £

•БШ —

Я

ВБ дп

1159 т/59

I/— + У—: = а дБ дп

( 2 )

и

дБ

а2е

СП

СП

дп2

где и и V - составляющие скорости соответственно по осям Б и и.

Р

8 = Г, - , Т - текущее значение температуры.

Система преобразуется с введением функции тока и новых переменных X и У, связанных с Б и п

Т = Ф

хууу-Аг]1А- Х = з1Я\ У = (п-5х)-Лг]1А /

Я

Для температуры и концентрации вводятся безразмерные параметры:

Н =

т-тх

р =

Я - Яо

(

)

'оо Я/"Язе

После подстановки получим систему дифференциальных уравнений в частных производных, которая может быть преобразована в обыкновенные дифференциальные уравнения с введением обобщенной переменной т]- д^ ■ с{у, предложенной Германом, представляющей из себя безразмерное расстояние в направлении нормальном теплопередающей поверхности. После этих преобразований система дифференциальных уравнений примет вид:

г-м

с1т]

l_.Es..А.

Рг р йт]

1 Рх

1

М"

= 0

■Я'

р

с!

Р<10 р ¿71

(п)

Е^.р . р

( 4 )

(>7)

Если пар рассматривать как идеальный газ, то:

Рх = т_ Р М ' Тт '

после пересчета молярных и массовых долей получим —— = 1 - К ■ Р,

М

где К = -

в-

^ ; В = -

М,

м, - мг

= 1 -Кт-Н ( 5

Выразим

Г _ Т-Гх 7] - Т0 т Т - Т Т

1 X 1 I 1 X Л X

К и Кт-константы, причем 1 > Кт> 0, тогда

Ее Р

где К т = ■

■Ъ + Гх т

= {\-К-Р)-(\-Кт-Н)= \-К-Р-Кт-Н + К-Кт-Р-Н ( 6 )

Подставив (5)и(6)в систему уравнений и пренебрегая числами второго порядка малости при множителях ККт, получим систему уравнений:

Р^-^-К-Р-Кт-Щ-^-Р'+Кт-Н')^' '+3 • Г '-Г-2(Г)2 +1 = 0

8

^-■(1- К■ Р-Кт ■ н)2 ■ Н"- - К■ Р- кт ■ н)-

■(К-Р+Кт-Н')-Н'+Ъ-Р-Н'=0 ( 7 ) ■ (1 - КР - Ктн)2 ■ • О - КР - КТН) • (КР'+КТН') ■ о

Такой подход дает более полный и точный учет всех факторов, в том числе и температуры, влияющих на процесс конденсации.

Граничные условия к системе уравнений будут иметь вид: на границе раздела фаз г] = 0

2 у^. V х

г

Б1ПХ

Агш

-{т,-Ту) К.Рж р» Лт"-/{хЫх).Гь

1 _

ч

1/4 г/ \ I \ ™ о5

р _ -V У-1! ) _^ Уж___;_;_ОХ_

5т-р \.Аг^-Г(х)-рсм~ р' Я-Г(х)

Р{0] = 1 Я(0)=1 ( 8 )

В ядре потока т] = со

^н=0, Я(со) = 0. ( 9 )

Система нелинейных дифференциальных уравнений с граничными условиями решается численным методом с использованием математического пакета «МагЬСАБ 6.0+» для смеси 1122/11142Ь, 1122/1112 с концентрациями = 0.1 * 0.9 кг/кг, при Т«, = 283 -=- 323 К и ДТ = 2 -г 10 К. При решении необходимо узнать температуру на границе раздела фаз которая определяется методом последовательных приближений. Известно, что отношение массовых долей компонентов в жидкой фазе на поверхности раздела равно отношению массовых потоков, проходящих через поверхность раздела

т2

Это условие используется для контроля правильности полученной Т,. По найденной Т1 для заданных Тм , и ДТ, можно определить интересующие нас функции.

В процессе решения установлено, что изменение температуры границы раздела фаз при различных углах наклона поверхности

трубы незначительно и не превышает 0.2 К. Характер изменения температуры Т, в зависимости от общего температурного напора показывает, что предельное значение Т,, определяемое по Т - £ диаграмме, может быть достигнуто, только при АТ значительно больших, чем применяются в холодильной технике.

Результаты расчетов представлены в виде зависимости ц / ц0 = Г(ДТ) (Рис.2) я - тепловой поток при конденсации смеси, яо - тепловой поток, когда Т; = Тх, д = т.е. в отсутствии парового пограничного слоя . Такое представление ____

0 85 О 5

0-5 'г 07 ¡~

1

0 6! (■ 06 I

0 55 05 045 04

г;-

1 ! I '

['V" 1 ! ¡111

1 ! III!

1 | 1 1 1 1 ! 1дТ К1

позволяет сравнить данные результаты с расчетами, выполненными для других смесей. Минимальное отношение соответствует концентрации, у которой максимальная Д Такой характер зависимости объясняется тем, что при конденсации смесей в отличие от чистых компонентов кроме Рис.2. Зависимость яЛ}о = ДАТ}

термического сопротивления тя Я22Л1142Ь 1- £ = 0,25кг/кг, 2- £ = пленки конденсата на процесс 0,5кг/кг ; 3- % = 0,75 кг/кг, 4- \ = 0,85 оказывает влияние и сопро- кг/кг тивление ДПС, образующегося на границе раздела фаз. В области малых температурных напоров толщина пленки мала и ощутимо сопротивление ДПС. С ростом Д: наблюдается утолщение пленки конденсата, что приводит к увеличению ее сопротивления и уменьшению влияния ДПС, поэтому для области больших Д1 характер процесса определяется, в основном, величиной Япл, как и при конденсации однокомпонентных агентов, поэтому с ростом ДТ и ц возрастают непропорцио-

0- ^

г\II!!! 1 1 .У

! ЧМ-- ■!. 1....1.. 1 . .. -г л / /

! ! \ ! е-!—[_-!— —-Г' /

|2К ! 1 ! ! /

! 1 ! 1 1

! ! ! \ .-л- \ ! 'т I ] 1 1 2| | ' • 1

\Ьк/Л У ! | I ! 1 ! М

1 1 .- ! I.-6|" ' I......Г......! !•.. к

| /-1, ■'"Г^-^оГ I !—"К-!-.'.

1>Г' I ! 1 ! ! ! Т ! -

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 7 0.8 0 9 1

Рис.3. Зависимость (Япл/Л и 11дпсЛ1)=Ш для Я22Л1142Ь при ДТ = 2: 6; ЮК

нально и я / Яо приближается к единице.

Представляет интерес оценка зависимости сопротивлений пленки конденсата и ДПС от режимных параметров и степень их влияния на процесс конденсации. После определения Ъ сопротивление ДПС и пленки можно определить

* = * ; = (11) Кдпс Тх - Г, Япл - Ти

На рис. 3 представлены зависимости Япл/Я и Идпс/К от концентрации холодильного агента при различных температурных напорах, которые имеют выраженный экстремум, приходящийся на область \ = 0.5 + 0.6 кг/кг, где отмечена максимальная разность равновесных концентраций, соответственно, на данную область приходится и максимальное значение сопротивления ДПС. Этот факт может служить объяснением наличия в этой области минимума а. Сопротивление пленки имеет преобладающее значения для всех концентраций при ДТ = 10 К. С ростом температуры конденсации влияние Кпл/В. незначительно возрастает из-за изменения свойств.

Характер представленных зависимостей и их соотношение подтверждает ранее приведенные объяснения о влиянии ДПС на теплоотдачу.

Расчет показывает, что при конденсации НСХА на горизонтальной трубе разность температур в ДПС мала, а свойства компонентов близки, поэтому движущие силы свободной конвекции недостаточны для ощутимого влияния на процесс.

Конденсация на трубе. Эксперимент. Для экспериментальной проверки аналитического решения была разработана методика и создан стенд для исследования теплоотдачи при конденсации НСХА как на горизонтальных трубах, так и внутри них (рис. 4 ).Эксперименты

Рис. 4. Стенд для исследования теплоотдачи при конденсации смеси на трубе(1) и внутри трубы (11).

проводились на чистых компонентах, а затем на смесях 1122/1112; 1122/11142Ь; 1113/1122 в следующих границах изменения режимных параметров: температура конденсации 283 -н 333 К; разность температур пара и стенки трубы 1 -н 10 К, концентрация 0 -н 1 кг/кг.

Визуальные наблюдения показали, что при конденсации на трубе во всех режимах отмечалась пленочная конденсация. Экспериментальные данные по конденсации чистых хладагентов согласуются с теоретической зависимостью Нуссельта, а при конденсации смесей -с выполненным аналитическим решением, максимальное расхождение отмечается в области малых разностей температур.

Характер зависимости а = I7 (Лг) при конденсации смесей отличен от подобных зависимостей для однокомпонентных хладагентов и имеет две области. В первой, соответствующей малым Д1, коэффициент теплоотдачи возрастает с увеличением Дг, и этот рост наблюдается у всех концентраций смеси. Во

Рис. 5. Зависимость а = ЦАТ) при онденсации 1113/1122 на трубе Т= 283К; +^=0кг/кг; о - 0,85; Д - 0,4; х £,=0,6 кг/кг.

второй - зависимости а = Г(Д1) у смесей и чистых компонентов аналогичны, с ростом Д1 коэффициент теплоотдачи уменьшается, что подтверждает, ранее рассчитанный, характер влияния сопротивления пленки и ДПС на теплоотдачу.

Зависимость коэффициента теплоотдачи от концентрации не подчиняется закону аддитивности. С ростом концентрации 1122 коэффициент теплоотдачи сначала уменьшается до мини- Рис- 6- Зависимость а = при кон мума/ значение которого денсации смеси 1122/11142Ь на трубе меньше, чем а у худшего, с Т = 313 К, 1-ДТ=2К 2 - ДТ = 5 К; точки зрения теплообмена, 3 - ДТ = 8 К.

компонента смеси. При дальнейшем увеличении концентрации а рас-

тет и достигает максимального значения при 1 кг/кг. Значение минимума для смеси R22/R142b приходится на = 0.55-г0.6 кг/кг, для смеси R22/R12 - = 0.3-^0.35 кг/кг; для R13/R22 - V = 0.6ч-0.65 кг/кг. Максимальная разность равновесных концентраций в паровой и жидкостной фазах каждой смеси приходится на вышеназванную область. С ростом температуры конденсации происходит уменьшение а, что полностью соответствует аналитическому решению.

При обработке опытов использовано выражение, полученное Нуссельтом, в которое внесены поправки для учета влияния сопротивления ДПС.

(12),

где: А - параметр из уравнения Нуссельта;

Кдпс и Ндпс - эмпирические выражения, учитывающие влияние сопротивления ДПС, найденные при компьютерной обработке опытов.

КдПс = D-Д£0-' , Ндпс = • Д£0'7)у/(Д/ + Я)2

Кдпс учитывает, что при конденсации смесей температурный напор в пленке конденсата составляет часть общего температурного напора в конденсаторе. Ндпс учитывает различную степень влияния температурного напора на а при различных В данных выражениях В, D, F -постоянные коэффициенты. Зависимость для расчета коэффициентов теплоотдачи, обобщающая экспериментальные данные для смеси R22/R12

а = А\ (13)

Для смеси R22/R142b

/ л , \[-0.25-( б-З-Л?0'7') /(дг+о.8)2]

а = Л • |дг + 0.95• Д £ J- 1 J/K J (14)

Для обобщения опытных данных для всех исследованных смесей было предложено критериальное уравнение, в которое введен концентрационный критерий учитывающий влияние разности концентраций в паровой и жидкой фазах

^ = 1 + <Г{1-<Г)) (15)

Уравнение ( 16 ) описывает результаты экспериментов по конденсации смесей R22/R12; R22/R142b; R13/R22, а так же данные До-манского P.A. для смеси R22/R12 на горизонтальной трубе с максимальной относительной погрешностью ± 25%.

Nu = 0.728 -{Ga-Px-K)

(16)

Данное уравнение применимо при Nu = 300*870; Ga = (1.6*7.2)109; Рг = 2.45*4.65; К = 11*145; К,; = 0*0.078. При с, равном

0 или 1 кг/кг все полученные уравнения рассчитывают а для одно-компонентных хладагентов.

Конденсация внутри трубы. Поскольку большинство конденсаторов малых холодильных машин проточного типа, то применительно к этим аппаратам изучение теплоотдачи при конденсации смесей внутри трубы представляет несомненный интерес. Режимные параметры в опытах изменялись следующим образом: температура конденсации 283 * 333 К; удельный тепловой поток 1 * 10 кВт/м2; концентрация 0 *

1 кг/кг.

Проведенное сравнение результатов опытов по конденсации чистых хладагентов в горизонтальной трубе показало хорошее согласование с ранее опубликованными аналогичными опытами.

Режимы течения двухфазного потока были определены расчетным путем. Для определения режима течения с использованием карты Breber необходимо рассчитать параметры, определяющие оси координат данной карты: безразмерную скорость газа по Уолиссу и параметр Мартинелли. Координатами карты Tandon является безразмерная скорость газа по Уолиссу и комплекс (1-х)/х, где х - условное объемное паросодержание. Сопоставление результатов расчетов с картами режимов показало, что почти 90 процентов опытов попадают в области, характерные для расслоенного режима движения. Только на самом входе в трубу будет кольцевой режим, а на выходе толчковый и снарядный. В конденсаторах холодильных машин, имеющих свободный слив жидкости в линейный ресивер, и на выходе из аппарата будет наблюдаться расслоенный режим. В связи с этим, представляется правомерным использование единой расчетной зависимости для обобщения результатов исследований.

Характер зависимостей а = f (q), представленных на рис. 7, показывает, что они имеют более сложный характер, чем аналогичные зависимости для чистых хладагентов. Степень влияния q на а изменяется в зависимости

1 1 !

"-"Г

____К — 4 " ___ ГА--2 W

У - 1 Ç, кВт/Л

у 2 * £ 8 «г

Рис. 7. Зависимость а=А(я) при конденсации Л22Л1142Ь при Т = 313 К, + £-1 кг/кг; х - 0; о - 0,84 А - 0,25; *-$ = 0,49 кг/кг.

от плотности теплового потока и концентрации. При концентрациях, которым соответствует область высоких значений А^ в паре и жидкости и, где сопротивление ДПС имеет наибольшее значение, наблюдается максимальное отклонение степени влияния я на а в сравнении с аналогичными зависимостями для чистых веществ.

Зависимость а = Г (£) имеет вид аналогичный зависимости, полученной при конденсации на горизонтальной трубе. И здесь имеется минимум, приходящийся на область концентраций около £,=0.5 кг/кг (смесь К22/Ш42Ь), ^=0,3 кг/кг (1122/1112), что объясняется наличием в этой области максимального сопротивления парового пограничного слоя.

Опыты показали, что рост температуры практически не влияет на средний коэффициент теплоотдачи, что объясняется тем, что при этом с одной стороны возрастает термическое сопротивление конденсата, но с другой увеличивается конвективная составляющая теплоотдачи.

Как и для случая конденсации чистого пара, можно отметить уменьшение локального коэффициента теплоотдачи по длине экспериментальной трубы вследствие увеличения толщины пленки конденсата (рис. 8 ), начальному участку трубы соответствует кольцевой режим.

Результаты опытов по конденсации всех исследованных НСХА качественно аналогичны, что позволяет сделать вывод о единой физической картине процесса.

При обработке результатов экспериментов по конденсации смесей хладагентов внутри горизонтальной трубы использовалось уравнение, полученное для однокомпонентных веществ, в которое добавлены комплексы, учитывающие наличие сопротивления ДПС.

Для смеси 1122/1112.

а = А( 1-333-6.3>Д;-) _ ^(5.1^-0.333) (, 7 }

Для смеси Я22/К142Ь.

* 3 2 а?, [кВт/ (мг 'К) ] | | I

^г—___ 1 __

^ 1 ---- г

Г 1 -о 1, м

6.1 0.7 1.35 2.5 3.9

Рис. 8. Зависимость а=Г(1) при конденсации 1122/1112 в трубе 1-£ = 1кг/кг, я

- 3кВт/м2;2- ^ = 1 кг/кг, Ч-5кВт/м2; 3

- \ = 0,21 кг / кг, Ч - 3 кВт / м2; 4 - % = 0,21 кг / кг, я - 5 кВт / м2

а = л(,.333-1.58^) ^(>.29^-0.333) (]8)

Критериальное уравнение, обобщающее экспериментальные данные для исследованных смесей, включает критерии, применяемые в известных зависимостях для расчета интенсивности конденсации чистых паров в горизонтальной трубе, для учета влияния сопротивления ДПС использован концентрационный критерий Ю.

При компьютерной обработке получено уравнение:

= ( 19)

Уравнение описывает опытные данные, а также данные Баха-новского, Козицкого, МосЫгикл с точностью ± 25%. Уравнение применимо при Ыи=170-И000, Са=(0.7+2.8)109, Рг=2.5+4.6, К=11 + 146, К:=0+0.079, \Уе=(27+44)10"4. При ^"=0 и £"=1 уравнения ( 17, 18, 19 ) рассчитывают а чистых хладагентов.

Апробация экспериментов по конденсации. Для практической апробации полученных результатов были проведены исследования воздушных и водяных конденсаторов в схемах холодильных машин, работающих на смесях 1122/11142Ь с ^=0,6 кг/кг и ^=0,7 кг/кг. Предварительно испытывалась работа аппаратов на Ш2.

Результаты испытаний показали, что коэффициент теплопередачи К при работе на смесях выше, чем у Ш2. Такое соотношение подтверждает правильность ранее выполненных опытов по теплоотдаче при конденсации в трубе, где установлено, что при \ > 0,6 кг/кг а смеси становится больше аК12. Выполненные расчеты коэффициентов

Рис. 9. Стенд для изучения теплоотдачи при кипении смеси на трубе.

теплопередачи исследованных конденсаторов с использованием полученных расчетных уравнений ( 18, 19 ) показали хорошую сходимость с экспериментом.

Теплообмен при кипении в большом объеме. Для исследования теплоотдачи при кипении в большом объеме на поверхности трубы была разработана методика и изготовлен стенд, схема которого представлена на рис. 9 . Эксперименты проводились на чистых компонентах, а затем на смесях 1122/1112, Я22Я1142Ь, ШЗЛШ в границах изменения режимных параметров: температура насыщения 223 -г 283 К, плотность теплового потока 1*15 кВт/м2, концентрация 0 * 1 кг/кг.

Результаты опытов по кипению чистых хладагентов хорошо согласовались с аналогичными результатами из других работ.

При кипении смеси зависимость а = Г (£) не подчиняется закону аддитивности (рис. 10 ). При увеличении концентрации а сначала уменьшается, а затем Рис 10. Зависимость а=А£) для возрастает. Минимальное значе- смеси К13/К22 при То=223 К для ние коэффициента теплоотдачи гладких д и оребренных • труб, меньше а худшего, с точки зрения теплообмена, компонента и, как показало хроматографирование, приходится на область с максимальной разностью равновесных концентраций. С ростом я увеличивается отрывной диаметр и масса парового пузыря, значит микрослой жидкости, прилегающей к пузырю, в большей степени будет обогащаться высококипящим компонентом, что приведет к росту температуры насыщения, увеличению разности концентраций между объемом жидкости и микрослоем и росту сопротивления пограничного слоя, поэтому отклонение а от аддитивных значений будет проявляться больше.

А

/ у

А- «¿т

/

1 1/ / ),=5 <

/1 ✓ / /

/ / у

\ \ ч у / У А ЧЪ 4 к

1 х ч N ч:: у / У

Г

о,г

оч

о.е

ол

а( Ю'в %-к 1 1 .

1 \ 1 * ^ !

1 -1 - ^! 1

1 1 !

К/ I 1 ' 1

! ! 1 1

1 1 1 ! 1 я /■ \ 1 "

Зависимость а = Г (я), представленная на рисунке 11 , показывает, что во всем диапазоне изменения давления и концентрации повышение ц приводит к росту а. Степень влияния q на а характеризуется показателем, который изменяет свои значения от 0.75 при кипении чистых компонентов до 0.65 при концентрации смеси, соответствующей минимуму теплоотдачи.

С ростом давления интенсивность теплообмена увеличивается (рис. 12 ). Степень влияния давления на а мало изменяется в зависимости от состава смеси, но несколько меньше, чем при кипении чистых хладагентов. Все это говорит о том, что механизм парообразования у чистых компонентов и у смесей практически тот же.

Для обобщения опытных данных по кипению смесей

1122/1112, И22Л1142Ь, Я13Л122 в Рис. 12 Зависимость а=А[Р) при большом объеме на гладкой тру- кипении смеси 1122/1112 для глад-

Рис. 11 Зависимость при кипении смеси 1122/1112 для гладких -и оребренных---труб;

□ - с, - 0,2; Д - £=0,6 кг/кг

оГ ю" £7"'К

1 1 X

— я '-т'я 1^-1 1

1 ' I

и ^ ГМ III 1

1

РМПл

с, 1 е. у '.г е С{ i

ое предложена зависимость:

Ми = 4.6-10-6 • Кр25 ■ Рею ■

и оребренных---труб;

К

ких

□ -£, = 0,2; Д - £=0,6 кг/кг 0.375

■К,

(20)

= (1 + 2.38-- комплекс, учитывающий наличие сопро-

где К? = (1 + тивления ДПС;

1

= - комплекс, характеризующий соотношение

между теплотой парообразования и свободной энергией поверхностного слоя.

Полученная зависимость обобщает экспериментальные данные и данные других авторов для смеси Я22/Я12 с точностью ± 25%. При

кг/кг и ^=0 кг/кг уравнение обобщает опытные данные по теплоотдаче чистых компонентов.

Теплоотдача при кипении на оребренной трубе. Поскольку большинство затопленных фреоновых испарителей выполнено с оребренными трубами для выявлении особенностей при кипении НСХА на таких трубах проведены специальные опыты в диапазоне изменения концентраций ^=0,1 -г- 0,8 кг/кг, а=2 -г- 8 кВт/м2, отнесенной к внутренней поверхности трубы, при температурах кипения 223 * 283 К. В опытах использовалась медная труба диаметром 21 мм, с промышленным оребрением прямоугольными ребрами и коэффициентом оребрения Р = 4.

Как показали визуальные наблюдения, кипение НСХА на оребренной поверхности начинается при меньших q. При коэффициенте эффективности ребра практически равном 1 испарение жидкости в пузырь происходит с большей поверхности, что способствует увеличению скорости роста и отрывного диаметра пузыря, все это интенсифицирует теплоотдачу, особенно при неразвитом кипении при низких 10 и q. С другой стороны, заключенная между ребрами жидкость обедняется низкокипящим компонентом, а условия ее перемешивания с основным объемом ограничены, поэтому здесь будет большая разность концентраций между объемом и пристенным слоем и больше сопротивление ДПС, а это ухудшает теплоотдачу. Наличие этих двух конкурирующих факторов и определяет особенности теплообмена при кипении смесей на оребренных трубах. При неразвитом кипении, когда влияние ДПС мало, интенсифицирующие факторы преобладают. С ростом q и Р роль ДПС возрастает.

Характер зависимости а = Г (я) (рис. 11 ) при кипении на оребренной поверхности смесей и чистых компонентов аналогичен. Степень влияния q на а меньше, чем при кипении смеси на гладкой трубах и определяется показателем п=0.35-Ю.45, что несколько меньше, чем при кипении чистых агентов.

Из представленных зависимостей видно, что интенсифицирующее влияние ребер проявляется в большей степени при малых q и низких температурах, то есть в области неразвитого кипения.

Степень влияния давления на а проявляется слабо и практически не зависит от ^ и q и меньшая, чем при кипении на гладких трубах (рис. 12).

Графическая зависимость а = {(£), представленная на рисунке 10, показывает наличие ярко выраженного минимума, проявляющегося в большей степени при росте q и 1:0. Положение минимума доста-

точно устойчиво. Можно отметить, что изменение теплоотдачи в зависимости от £, при кипении на оребренных трубах проявляется в большей степени, чем при кипении на гладких, минимум теплоотдачи смещается в сторону больших концентраций, а отношение аадд/а больше у смесей, имеющих большую разность равновесных концентраций.

Как показали исследования, характер влияния оребрения на теплоотдачу достаточно сложен, обработка результатов экспериментов позволила найти расчетную формулу, оценивающую это влияние.

еОР=аОР/агл=1-Р-п-2.д-й-15 (21)

Максимальная относительная погрешность формулы ± 20 %. Влияние масла на теплообмен. Во всех испарителях холодильных машин кипит не чистый хладагент, а его смесь с маслом. Для оценки влияния масла на теплоотдачу при кипении НСХА было проведено специальное исследование в диапазоне изменения ц=2-И0 кВт/м2; Т0= 243 -ь 283 К; с маслом ХФ-12-16 при концентрации масла 0.01;

0.05; 0.1; 0.2 кг/кг. В работе использовались смеси 1122/1112; Я22Л1142Ь. При всех температурах и концентрациях не отмечено расслоения масла и хладагента.

Визуальные наблюдения показали, что добавка масла вызывает более раннее закипание смеси. При ^м>0.05 кг/кг отмечается ценообразование на поверхности раздела фаз, которое с ростом ц и ^м усиливается.

Добавка к НСХА масла изменяет свойства рабочего тела, что приводит к изменению внутренних характеристик процесса парообразования. С ростом q коэффициент теплоотдачи ам растет. Степень влияния я на ам меньше, чем при кипении без масла, так как кроме градиента концентраций компонентов смеси в микрослое у парового пузыря образуется еще и градиент концентраций масла, ухудшающий теплоотдачу.

i \ \

X , г

i s /о ¿а

Рис. 13. Зависимость aja = при кипении R22/R142b q=5 кВт/м2, ^=0,7 кг/кг, • Р=0.19 МПа; +-0.28; о-Р = 0.54 МПа

Зависимость ам= Г имеет минимум, значение которого при увеличении и понижении Т смещается в сторону больших концентраций смеси, так как с увеличением £,м и вязкости масла в микрослое у парового пузыря требуется большая движущая сила для преодоления этого дополнительного сопротивления. С ростом я значение минимума проявляется резче.

Зависимость, ем= ам/а^Т (£м) (рис. 13 ) для смеси Я22Л1142Ь имеет максимум при концентрации масла = 0.01-5-0.03 кг/кг, интенсификация теплообмена тем больше, чем меньше Р и я, то есть в зоне неразвитого кипения. При дальнейшем возрастании £м наблюдается ухудшение теплообмена. Можно отметить, что при концентрациях масла, имеющих место в затопленных испарителях холодильных машин, наличие масла ухудшает теплообмен. С ростом ц и Р отрицательное влияние масла на теплоотдачу сказывается в большей степени.

Как показали исследования, характер влияния масла на теплоотдачу достаточно сложен, но в затопленных испарителях максимальный диапазон изменения = 0.05^-0.2 кг/кг. В этом диапазоне изменения £м получена зависимость, отражающая отрицательное влияние масла на теплообмен:

Максимальная относительная погрешностью формулы ± 20%.

Рис. 14. Стенд для изучения теплоотдачи при кипении смеси в трубе.

(21)

I ж * * к £

м* к

Теплоотдача при кипении внутри трубы. В воздухоохладителях и охлаждающих батареях холодильный агент кипит внутри труб, поэтому для изучения теплоотдачи при кипении НСХА внутри горизонтальных труб была разработана методика и изготовлен специальный стенд ( рис. 14 ). Эксперименты проводились при изменении концентрации смесей = 0+1 кг/кг; массовой скорости 50+400 кг/(м2с); плотности теплового потока я = 1 + 15 кВт/м2; температуры кипения Т0 = 253+283 К; массовое расходное паросодержание на входе в трубу во всех опытах X = 0 кг/кг. Труба имела длину 3,32 м, диаметр внутренний 13 мм, обогревалась электрическим током, проходящим через нее.

Визуальные наблюдения на выходе из трубы позволили выявить следующие режимы течения: снарядный, волновой, расслоенный, переходный и кольцевой. Сопоставление режимных параметров и структуры потока с картой режимов, полученной и скорректированной в С-ПбГАХиПТ и картой Тан-дона, показало их хорошее согласование. Результаты опытов, выполненных с 0 5 { 0 г

чистыми компонентами, Рнс 15_ Зависимость а = Г (1) при кипе-согласуются с известными Нии 1122/11142Ь в трубе, расчетными зависимостями. Интенсивность теплоотдачи определяется взаимным влиянием пузырькового кипения и вынужденной конвекции, вклад которых в теплоотдачу меняется с изменением режимов течения потоков в трубе.

Изменение локального коэффициента теплоотдачи по длине трубы при различных режимах течения потока показано на рис. 15, из которого видно, что характер изменения различен и обусловлен структурой потока. Зависимость 1 соответствует снарядному режиму течения. Линия 2 характеризует изменение а при наличии в трубе снарядного, волнового и расслоенного режимов, при развитии которых уменьшается поверхность трубы, смоченная жидкостью. На участке от первого до второго сечения (линия 3) в трубе волновой режим, значения а снижаются, при возникновении переходного (третье сечение) и далее кольцевого (пятое сечение) режимов большая часть

сечения трубы омывается жидкостью, возрастает ее скорость, что благоприятно сказывается на теплоотдаче.

Значение среднего по трубе аср зависит от набора режимов течения, плотности теплового потока, массовой скорости, концентрации и давления. С ростом q возрастает коэффициент теплоотдачи во всех рассмотренных режимах. При увеличении массовой скорости вклад в теплоотдачу пузырькового кипения уменьшается при одновременном увеличении конвективной составляющей, при этом а растет.

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

(22)

Показатель степени для хладагентов п=3, аКонв рассчитывается по зависимости для вынужденного движения по истинной скорости жидкости и эквивалентному диаметру, занятому жидкостью, ago рассчитывается по уравнению (20).

При волновом и расслоенном режимах с учетом уменьшения сечения трубы, омываемого жидкостью, выраженного через истинное объемное паросодержание ср

+ (23)

При кольцевом режиме опытные данные обобщали по методу В.М. Боришанского, A.A. Андреевского, где использованы истинные скорости фаз

.A|l + 32.10-9.(w'V.p'/g)1-5.(ao-o/a<?ii.)2 (24)

Средний коэффициент теплоотдачи при кипении внутри труб вычисляется по локальным а для каждого режима с учетом протяженности участка с данным режимом.

В испарителях холодильных машин при Хвх »0.15, Хвых « 0.95 и массовых скоростях Сор=30-И00 кг/(м2с) отмечается волновой режим, который по мере роста X переходит в расслоенный. В связи с этим представляется правомерным использовать единую зависимость для расчета а в этих аппаратах.

а = а?н.

а = 0.6\-аконв

1 + 1 "*>/ 1 (25)

Апробация экспериментов по кипению. Для проверки правильности результатов исследования теплоотдачи при кипении НСХА были

проведены испытания охлаждающих батарей в схеме холодильной машины на R12 и смеси R22/R142b с концентрациями £=0.6 и £=0.7 кг/кг. Зависимость KF = f (Q) представлена на рис. 16 , где видно, что с ростом холодопроизводительности К возрастает для всех холодильных агентов из-за роста q, Т0 и Т воздуха в камере. Коэффициент теплопередачи у смеси меньше, чем у R12. Основываясь на полученных зависимостях ( 25, 21 ), был выполнен тепловой расчет испарителя, показывающий хорошее согласование с экспериментальными данными, (рис. 16 )

С целью проверки правильности полученных закономерностей и практического использования результатов работы необходимо было провести исследование работы холодильных машин на НСХА. В связи с запрещением R12 представилась возможность предложить смесь, заменяющую его в холодильном оборудовании. Из исследованных такой смесью оказалась R22/R142b с рекомендуемым диапазоном концентраций 0.55-^-0.75 кг/кг. В этом диапазоне свойства смеси и R12 близки, в сопоставимых условиях есть равенство удельных объемных холодопроизводительностей, равенство коэффициентов теплоотдачи при кипении и конденсации и зависимостей давления от температуры насыщения Р = f (Т). Компоненты смеси давно используются как хладагенты и выпускаются российской промышленностью в достаточном количестве. Озоноактивность смеси в 15, а потенциал глобального потепления в 5 раз меньше, чем у R12, одним из главных ее достоинств является хорошая растворимость с маслом ХФ-12-16.

Для испытания в холодильных машинах были отобраны смеси с £=0.6 кг/кг (смесь 1), и £=0.7 кг/кг (смесь 2), для этих концентраций построены тепловые диаграммы T-S, позволяющие рассчитать цикл.

Исследовалась работа холодильных машин заводского изготовления с герметичными и сальниковыми компрессорами, водяными и воздушными конденсаторами, охлаждающими батареями, воздухоохладителями и проточным испарителем для охлаждения хладоноси-теля. Для определения исследуемых параметров сделаны необходимые врезки. Опыты проводились при изменении Тк-ач= 258-283 К, Т0= 243-273 К, Тк= 283-323 К.

Кг ! | 1 вт/к ! I 1 •--

__ J _ _ 1 Г-^-^—,-

1 1 ' — — - —

- о Т Г !

1.1 I С. im

25л 3iM ъ* ни "!0 ici

Рис. 16. Зависимость KF = f(Qo) для ШХ-0,8 • R12; []-смесь1; Д-смесь2; — опыт; —расчет

Для получения индивидуальных характеристик машин опыты проводились сначала на R12, затем R12 сливали, систему вакуумиро-вали и заправляли смесью 1, для перехода на смесь 2 добавляли необходимое количество R22, масло в системе не менялось. Масса заправки смесью соответствовала паспортной.

По внешним признакам работа машины на смеси не отличается от работы на R12. Шум работающего компрессора не изменился, неравномерности обмерзания испарителя не обнаружено.

В опытах использовались терморегулирующие вентили ТРВ-2М, ТРВ-0.5М, которые обеспечивали нормальную подачу жидкости в испарители при различных температурах и тепловых нагрузках, что обусловлено тем, что свойства смеси и R12 близки, в том числе по зависимости Р = f (Т).

Возврат масла в компрессор производился хорошо, что контролировалось по смотровому стеклу в картере и связано с тем, что смесь хорошо растворяется с маслом. В случае попадания влаги в систему прокаливали адсорбент, и работоспособность машины восстанавливалась, что говорит о нормальной работе заводских фильтров-осушителей на предлагаемой смеси.

Давления кипения смеси и R12 практически равны. Давление конденсации у смеси 1 на 5, а у смеси 2 на 15 % выше, чем у R12. Температура нагнетания у R12 и смеси 1 практически равны, а при работе на смеси 2 - на 3+6 °С выше.

Одно из главных преимуществ предлагаемых смесей 1 и 2 состоит в том, что при переходе на них практически не изменяется потребляемая мощность, при равной температуре в охлаждаемом объекте она всего примерно на пять процентов соответственно меньше и больше, чем при работе на R12, таким образом, перегрузки электродвигателя не будет и не потребуется искусственно уменьшать производительность компрессора или заменять электродвигатель на более мощный.

2.ч L.i {.г

N,Khm ! 1 1 ! 1 1 1 1 1-

1 1 1 1л..к.г*Г и ,-r-Ji

1 1 1 | 1 iJ^^^T^JJ-'

1 1 '1 0 ! 1

—г 1 Рн4-'' 1 1 !

-njUi-rr ! 1 1 1 1 1

| 1 1 1 1 1 1 1 1

\ i \ \ \ \ \ ( 1р,- Wtli

ол

о./s

с. г

Рис. 17. Зависимость N=f(Po) для АК-ФВ-4 □ - смесь 1; Д - смесь2.

Холодопроизводительность машины СЬ при работе на всех агентах возрастает с ростом Т0 и понижением Тк", при равной температуре в охлаждаемом

Р ПЛИ ПЯ^ПТР ня ^

объекте (30 при работе на смеси 2 и Ю 2 практически равны, у смеси 1 - на 15 процентов меньше (рис. 18).

Соотношение перегрева пара и переохлаждения жидкости в теплообменниках для всех

Ûj Вт

i 1

1

!

" ! i к

! 1 1

ет -¿к-'ЗОЗк!

—r-M__.L —— а i

! 71-i_ 1 1 i

263 267 271 275 27 9 2S3

Рис. 18. Зависимость Qo = f (осам) для ВС-500. • R12; □ - смесь 1; А - смесь2.

хладагентов было практически равным, это в первую очередь обусловлено тем, что отношение удельных теплоемкостей фаз одинаково. Использование в теплообменнике части теплоты испарения смеси не принесло заметных энергетических преимуществ.

Анализ работы холодильной машины показал, что слабым местом при переводе ее на смеси, является испаритель, где меньший коэффициент теплоотдачи при кипении смесей по сравнению с R12 ухудшает характеристики машины. Конденсаторы на смесях работают лучше, чем на R12.

Изменение холодильного коэффициента при переводе действующих машин с R12 на смесь R22/R142b показано на рис. 19. Можно отметить, что лучшие показатели у смесей наблюдаются при низких температурах кипения. Если сравнивать работу холодильных машин при Т0 = const, то холодильные коэффициенты при использовании смесей и R12 будут практически равны.

Результаты проведенных нами опытов, подтверждены на стенде московского завода холодильного машиностроения «Искра», где ис-пытывалась на смесях, выпускаемая заводом, холодильная машина МХВ-4-1-2. Здесь же подтверждено, что даже при значительных утечках параметры работы машины не изменяются, так как в этом случае происходит понижение уровня жидкости в линейном ресивере без из-

263 267 271 275 279 283

Рис. 19. Зависимость ecM/eR12 = f(tKAM) для ВС-500. □ - смесь 1 ; А - смесь2.

менения рабочей концентрации смеси, а контроль за составом смеси можно вести по графику зависимости Р = f (Т).

После пуска с отепленными камерами темп охлаждения объекта при работе на смеси 2 и R12 практически одинаков, что и следовало ожидать из-за равной производительности машины при равных температурах внешних источников. При использовании смеси 1 камеры охлаждаются медленнее из-за меньшей холодопроизводительности.

Анализ работы различных холодильных машин на смеси R22/R142b показал, что действующее холодильное оборудование может быть успешно переведено с R12 на эту смесь, в южных регионах в установках с воздушными конденсаторами рекомендуется применять смесь с концентрацией 0.6 кг/кг, в северных - с ^=0.7 кг/кг; в установках с водяными конденсаторами повсеместно можно использовать смесь 2, как имеющую лучшие энергетические показатели.

На основании выполненных исследований нами разработана и в АО «Торгтехника» г. Астрахани утверждена и применена инструкция по переводу действующего холодильного оборудования с R12 на смесь R22/R142b.

Основные результаты и выводы.

1. На основании анализа литературных данных установлено, что для рационального применения НСХА в холодильных машинах и теп-лообменных аппаратах, а так же для разработки рекомендаций по расчету и проектированию такого оборудования, было необходимо проведение комплексного исследования в условиях, характерных для работы холодильных машин и теплообменных аппаратов во всем диапазоне изменения концентраций.

2. Аналитическое решение задачи пленочной конденсации двухком-понентного пара на поверхности горизонтальной трубы учитывает влияние свободной конвекции, переменности массовых сил, вызванной кривизной поверхности и непостоянство температуры в паровом пограничном слое. Решение приводит к системе нелинейных дифференциальных уравнений с соответствующими граничными условиями, решаемой численным методом.

3. Величина плотности теплового потока при конденсации НСХА определяется суммарным термическим сопротивлением пленки конденсата и парового пограничного слоя. Установленное соотношение этих термических сопротивлений и его зависимость от режимных параметров развивает общие представления о процессе конденсации смесей. При малых тепловых нагрузках сопротивление ДПС является преобладающим, при больших - процессы кон-

денсации смеси и однокомпонентного вещества становятся подобны.

4. Выполненное экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации НСХА на горизонтальной трубе качественно подтверждает основные выводы аналитического решения о сложном характере влияния парового пограничного слоя на теплообмен и удовлетворительно согласуется с ним при АТ > 2 °С.

5. Выявленные закономерности теплообмена при конденсации смесей как внутри горизонтальной трубы, так и на ее поверхности определяют степень влияния на теплоотдачу основных факторов: плотности теплового потока (температурного напора), давления, концентрации, теплофизических свойств и показывают отличие полученных закономерностей от аналогичных, относящихся к чистым компонентам.

6. Выявленные закономерности теплообмена при кипении смесей в большом объеме на поверхности гладких и оребренных труб, а также внутри горизонтальной трубы отражают степень влияния на теплоотдачу плотности теплового потока, массовой скорости, давления, концентрации, теплофизических свойств, геометрических характеристик поверхности, оценивают влияние концентрации масла на теплоотдачу смеси и позволяют выявить отличия полученных закономерностей от аналогичных, относящихся к чистым хладагентам.

7. Установленное отклонение коэффициентов теплоотдачи от значений, рассчитанных по закону аддитивности, и найденная взаимосвязь этих отклонений с позволяет учесть это в расчетных зависимостях, определяющих интенсивность теплоотдачи при кипении и конденсации НСХА, необходимых при проектировании и эксплуатации холодильных машин и тепловых насосов, работающих на смесях.

8. Результаты исследования позволили выделить из исследованных смесь 1122/11142Ь и определить диапазон концентраций, при котором интенсивности теплоотдачи при кипении и конденсации смеси и Ш2 будут соизмеримы. Анализ свойств смеси позволяет рекомендовать ее к использованию в холодильных машинах взамен Ш2.

9. Изучение теплообмена в испарителях и конденсаторах в схемах холодильных машин при работе на смесях подтвердило правильность выполненных исследований по теплоотдаче при кипении и конденсации смесей и выявило, что испаритель является слабым местом холодильной машины, ухудшающим ее энергетические характери-

стики, в то время как конденсатор на смесях работает лучше, чем на R12.

10. Выполненное комплексное исследование работы различных холодильных машин на смеси R22/R142b показало возможность замены R12 на рекомендуемую смесь без замены масла, фильтров-осушителей и конструктивных изменений в компрессорном агрегате и позволило установить, что тепловые и энергетические показатели холодильных машин при этом существенно не изменятся.

11. На основании хроматографического анализа равновесных состояний пара и жидкости составлены диаграммы Т - ^ для всех исследованных смесей и тепловые диаграммы Т - S, рекомендованной к внедрению смеси R22/R142b, необходимые для расчета циклов холодильных машин.

12. Разработаны инструкции по переводу действующих малых холодильных машин с R12 на смесь R22/R142b, они проверены на московском заводе холодильного машиностроения «Искра» и реализованы в АО «Торгтехника» г. Астрахани.

Список основных работ по теме диссертации.

1. Букин В.Г., Комаров В.В., Кузьмин А.Ю., Яровой О.Д. Перспективы применения смесей хладагентов в качестве рабочих веществ в морозильных агрегатах. // Отраслевое совещание по холодильному направлению МРХ СССР: Тезисы доклада .- г. Ивангород,- 1987.

2. Букин В.Г., Жувагин Г.Л., Хорошкин В.Н., Кузьмин А.Ю. Кипение смесей фреонов 12 и 22 в испарителях холодильных машин.// Всесоюзная H.T.K. "Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности.": Тезисы доклада .- Владивосток 1987.

3. Букин В.Г., Жувагин Г.Л. Экспериментальное исследование теплоотдачи при .кипении смесей R12 и R22. II Всесоюзной конференция "Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса.": Тезисы доклада .- Кишинев. 1987. с. 11

4. Букин В.Г., Ребров П.Н. Теплоотдача при кипении фреоно-масляной смеси на многорядных пучках // Тепло- и массообмен, уравнения состояния, средства теплотехнических измерений JI.: ЛТИХП,- 1987,-с. 46 - 53.

5. Bukin V.G., Rebrov P.N., Danilova G.N. A correlation for local coefficients of heat transfer in boiling of R12 R22 refrigerant on multirow bundles of smooth tubes.//Heat Transfer - Sov Res.- 1989,- 24 (4) p. 543-548.

6. Букин В.Г., Комаров B.B., Кузьмин А.Ю. Неазеотропные смеси фреонов- хладагенты для морозильных аппаратов. // Рыбное

хозяйство. Серия Техническая Эксплуатация Флота .- Москва .-1989,-N4- с. 9-18

7. Букин В.Г., Комаров В.В., Шуршев В.Ф. Влияние масла на теплоотдачу при кипении смеси фреонов. // НТК Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности.": Тезисы доклада .- Владивосток 1989.- с.26

8. Комаров В.В., Букин В.Г., Шуршев В.Ф. Особенности теплоотдачи при кипении смесей фреонов R12 и R22 на оребренной трубе. // Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, в торговле и на транспорте.: Тезисы доклада .- Одесса .- 1989.

9. Кузьмин А.Ю., Букин В.Г. Закономерности теплообмена при конденсации неазеатропной смеси холодильных агентов на горизонтальной трубе. // "Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, в торговле и на транспорте.": Тезисы доклада .- Одесса .- 1989,- с.37

10. Букин В.Г., Комаров В.В., Шуршев В.Ф. Исследование теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов с маслом. // Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, в торговле и на транспорте.: Тезисы доклада .- Одесса .- 1989.

11. Комаров В.В., Шуршев В.Ф., Букин В.Г. Теплоотдача при кипении смеси R12/R22 с маслом на трубе. // Исследование теплофи-зических свойств веществ и процессов теплообмена в холодильной технике. Д.- 1989,-с.90-94

12. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Исследование теплообмена при конденсации смеси R12/R22 на горизонтальной трубе. // Исследование теплофизических свойств веществ и процессов теплообмена в холодильной технике. Л,- 1989,- с. 101-104

13. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Исследование теплоотдачи в конденсаторе теплового насоса, работающего на неазеатропной смеси фреонов. // Тепловые насосы в народном хозяйстве.: Тезисы доклада .- Калининград .- 1990,- с. 32

14. Букин В.Г., Комаров В.В. Особенности теплоотдачи при кипении низкотемпературных смесей фреонов. // Холод - народному хозяйству.: Тезисы доклада .- 1991,- С. - Петербург .- с. 83

15. A.C. N1282648 (СССР) Испаритель/ Букин В.Г. Налобин Л.В. - Опубл. 28.06.91 - Бюл. N 10

16. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации неазеатропных смесей фреонов в элементах конденсаторов холодильных машин и тепловых насосов. //

Холод - народному хозяйству.: Тезисы доклада 1991,- С.- Петербург .-с. 17

17. Букин В.Г., Шуршев В.Ф. Экспериментальная холодильная установка, работающая на смесях хладагентов, предназначенная для конденсации паров бензина из их смеси с воздухом. // Холод -народному хозяйству.: Тезисы доклада .- 1991.- С.- Петербург .- с. 17

18. Кузьмин А.Ю., Букин В.Г. Анализ работы конденсаторов тепловых насосов при переходе на озонобезопасные неазеатропные смеси хладонов. II Совершенствование холодильной техники и технологии для эффективного хранения и переработки сельхозпродукции.: Тезисы доклада .- Краснодар .- 1992.- с. 16

19. Кузьмин А.Ю., Букин В.Г. Экспериментальное исследование конденсации фреонов и их смесей в горизонтальной трубе. // Вестник АТИРПиХ .-Астрахань .- 1993.- с. 163-166

20. Кузьмин А.Ю., Букин В.Г., Шишканов A.B. К вопросу проектирования конденсаторов с внутритрубной конденсацией неазеа-тропных смесей хладагентов. II Вестник АТИРПиХ .- Астрахань .-

1993.-с. 145-147

21. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю., Семенов A.C., Шишканов A.B. Построение диаграмм i-ç для смесей хладагентов с использованием языка Autolisp и пакета машинной графики Autocad. // Тезисы доклада региональной конференции .- Астрахань .- 1994.

22. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Обработка результатов экспериментальных исследований процесса конденсации неазеатропных смесей холодильных агентов R142b-R22 на горизонтальной трубе. // Сборник СПГАХиПТ.- 1994,- с. 82-86

23. Шуршев В.Ф., Букин В.Г., Некрасов В.П. Исследование процесса теплоотдачи при кипении смеси озононеактивных хладонов R22-R142b. // Вестник АГТУ,- Астрахань .- 1994,- с. 144-146

24. Шуршев В.Ф., Букин В.Г., Данилова Г.Н. Исследование теплоотдачи при кипении смеси R22-R142b в большом объеме. // Сборник С.- ПГАХиПТ "Проблемы теплофизики и теплообмена в холодильной технике." .- С- Пб .- 1994,- с. 87-91

25. Шуршев В.Ф., Букин В.Г. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов внутри трубы. // Проблемы теплофизики и теплообмена в холодильной технике.: Тезисы доклада .- С.-ПГАХиПТ,-

1994,- с.77-81

26. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Особенности теплообмена при конденсации смеси холодильных агентов R22-R142b. II Холодильная техника России. Состояние и перспективы.: Тезисы доклада .- С.- Петербург .- 1995.- с. 28

27. Шуршев В.Ф., Букин В.Г., Данилова Г.Н. Исследование теплоотдачи при кипении смеси R22-RI42b внутри горизонтальной трубы. // Холодильная техника России. Состояние и перспективы.: Тезисы доклада .- С.- Петербург.- 1995. с. 7

28. Букин В.Г., Ольшанский Н.Я., Кузьмин АЛО. Использование математического пакета MathCAD для решения системы дифференциальных уравнений, описывающих теплообмен при конденсации смесей холодильных агентов. // Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре.: Тезисы доклада .- Астрахань .1995,- с. 9

29. Шуршев В.Ф., Букин В.Г. Работа испарителя малых холодильных машин при замене R12 на озононеактивную смесь R22/R142b. // Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и транспорта.: Тезисы доклада .- Калининград .- БГА РФ.- 1996,- с. 64

30. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю. Экспериментальное исследование малых холодильных машин на смеси R22/R142b. // "Холодильная техника",- 1996,-N5.- с. 12-14

31. Букин В.Г., Забродин Н.В. Работа малых холодильных машин на смеси R22/R142b, альтернативном R12. // Холодильные и пищевые производства.: Тезисы доклада.- С- Пб.- 1996.

32. Шуршев В.Ф., Букин В.Г., Данилова Г.Н. Теплообмен при кипении смеси R22/R142b в испарителях холодильных машин. // Холодильные и пищевые производства.: Тезисы доклада .- С- Пб,- 1996.

33. Кузьмин АЛО., Букин В.Г. Сопоставление сопротивлений ДПС и пленки при конденсации неазеатропных смесей холодильных агентов. // Холодильные и пищевые производства.: Тезисы доклада .С- Пб,- 1996.

34. Букин В.Г., Шуршев В.Ф., Данилова Г.Н. Экспериментальное исследование теплообмена смеси R22/R142b в испарителях холодильных машин.// "Холодильная техника".- 1996,- N3 с 10-11.

35. Букин В.Г., Никулин А.Е., Забродин Н.В. Исследование работы малой холодильной машины с водяным конденсатором на не-азеатропной смеси хладагентов. // Вестник АГТУ.- 1996.- с. 166-169

36. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю., Шуршев В.Ф. "Холодильные машины" заявка N 96105108 от 15.03.96г.

37. Букин В.Г., Кузьмин А.Ю., Шуршев В.Ф. "Холодильный агент" заявка N 96124158 от 30.12.96г.

38. Букин В.Г., Шуршев В.Ф., Данилова Г.Н., Лебедкина И.К. Влияние концентрации на теплообмен при кипении смеси холодильных агентов R22/R142b. // Теплофизические свойства холодильных

агентов и процессы тепло- массообмена .- С- Пб: СПГАХиПТ.-1996.- с.68-71

39. Букин В.Г. Смесь R22/R142b как замена R12 в действующих холодильных установках. //Холодильное дело .- 1996,- N4.- с.30-32

40. Кузьмин А.Ю., Букин В.Г. Особенности работы конденсаторов судовых холодильных установок на смесях холодильных агентов. // НТК "300 лет Российскому флоту".: Тезисы доклада .- Астрахань .-АГТУ.- 1997.-c.69

4L V. Bukin, A. Kuzmin, V. Shurshev Transfer of operating transport refrigerating plants to ozone-friendly refrigerant mixture. Book of abstracts intern, conf. « Refrigeration application of transport in hot climate regions.» Russia 1997 y. p. 12.

42. Букин В.Г.,.Кузьмин А.Ю., Кокуев А.Д. Использование смеси R22/R142b для замены в действующем холодильном оборудовании.// Холодильная техника,- 1997 - № 8 - с. 8-10.

Подписано к печатм31.03.98".Формат 60x84 1/16. Бум. писчая. Печать офсетная. Печ.л.2,25Д>фаж 100 экз. Заказ № 70.

ИГ1Ц Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий. 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, 9

:-езидиум ... ^гч.

жиео \ndLn 19 1

:удил ученую степень ДО'.

i

SS:

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.

На правах рукописи УДК 621.016

БУКИН ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ И КИПЕНИИ НЕАЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ ХОЛОДИЛЬНЫХ

АГЕНТОВ

Специальность 05.14.05. - теоретические основы теплотехники

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

>

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доктор технических наук, профессор Данилова Г.Н.

Санкт -Петербург 1998г.

Оглавление.

ВВЕДЕНИЕ...........................................

ГЛАВА 1. Обзор литературных данных.

1.1. Теплообмен при кипении бинарных смесей............ 20 .

1.2. Теплоотдача при конденсации неазоатропных смесей паров.......................................... 36_.

1.3. Использование неазеотропные смеси холодильных

агентов в качестве рабочих тел холодильных машин....... 53 .

1.4 Выводы. Цели и задачи исследования................. 70 .

ГЛАВА 2. Теплофизические свойства неазеотропных смесей хладагентов. Построение диаграмм Т-Б..

2.1. Расчет теплофизических свойств смесей............. 75 .

2.2. Расчет разности равновесных концентраций в паре и

жидкости............................................... _77_.

2. 3. Построение диаграмм Т-£; Т-Б...................... 82. .

ГЛАВА 3. Исследование теплообмена при конденсации неазеотропных смесей холодильных агентов. 3.1. Конденсация бинарной паровой смеси на поверхности горизонтальной трубы. Аналитическое решение............ вз .

3.1.1. Постановка задачи. Приобразование системы уравнений......................................... 89 .

3.1.2. Формулировка граничных условий............. 98 .

3.1.3. Алгоритм решения задачи. Результаты численного решения и их обсуждение................ 103.

3.2. Экспериментальный стенд, методика проведения экспериментов

3.2.1. Экспериментальный стенд.................... 415.

3.2.2. Методика проведения экспериментов.......... Ü9 .

3.3. Результаты и анализ экспериментальных исследований теплоотдачи при конденсации неазеотропных смесей холодильных агентов на горизонтальной трубе........ ¿22.

3.4. Результаты и анализ экспериментальных исследований по теплоотдаче при конденсации неазеотропных смесей холодильных агентов в горизонтальной трубе............. Й2.

3.5. Расчет режимов течения при конденсации смесей холодильных агентов и однокомпонентных веществ в горизонтальной трубе................................... 137.

3.6. Обработка и обобщение результатов экспериментов... йз.

3.7. Сопоставление аналитического и экспериментального решения задачи

3.8. Анализ работы конденсаторов в схемах холодильных машин на неазеотропных смесях R22-R142b................ IS2..

ГЛАВА 4. Исследование теплообмена при кипении

неазеотропных смесей холодильных агентов. 4.1. Экспериментальный стенд, условие и методика проведения и обработки данных при кипении в большом

объеме..................................................................................................45"б.

4.2. Экспериментальный стенд, условие и методика проведения и обработки данных при кипении смесей

внутри горизонтальной трубы......................................................Ш.

4.3. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении смесей в большом объеме.

4.3.1. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении на гладкой трубе.......... Й3_.

4.3.2. Особенности теплоотдачи при кипении неазе-отропных смесей холодильных агентов на оребренных трубах............................................

4.3.3. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении неазеотропных смесей с маслом на горизонтальной трубе в большем объеме... 4.4. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении смесей в горизонтальной трубе.

4.4.1. Визуальные наблюдения структуры движения

потока............................................ £00.

4.4.2. Анализ экспериментальных данных по теплоотдаче при кипении смесей холодильных агентов в горизонтальной трубе.............................. 206.

4.4.3. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче при кипении смеси внутри горизонтальных труб..............................................

4.5. Анализ работы испарителей холодильных машин на неазеотропных смесях К22-И142Ь......................... 225.

ГЛАВА 5. Энергетические и эксплуатационные характеристики холодильных машин, работающих на Е22/М42Ь и Й12, и их сопоставление. 5.1. Экспериментальные стенды и методики проведения исследований работы холодильных машин на смесях хо-

лодильных агентов..................................... £21.

5. 2. Сопоставление энергетических и эксплуатационных характеристик холодильных машин, работающих на смеси Е22-Е142Ь.............................................. 2Ш.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................... 2б5_.

ЛИТЕРАТУРА......................................... Ш.

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................... 292.

б

Основные обозначения В - коэффициент диффузии, м2/с; К - коэффицент теплопередачи Вт/(м2 К); N - мощность, Вт; Р - давление, Па, бар; й - радиус, м; Т, ь - температура, К, °С;

0. - тепловой поток

а - коэффициент температуропроводности, м2/с; с - удельная массовая изобарная теплоемкость, Дж/(кг-К);

Р

(1 - диаметр, м; е - холодильный коэффициент; g - ускорение свободного падения, м/с2; Т - площадь, м2;

1, - длина, линейный размер, м; п - число центров парообразования; М - массовый расход, кг/с;

г - теплота парообразования, Дж/кг; q - плотность теплового потока, Вт/м2; б - энтропия, Дж/(кг-К); V - удельный объем, м3/кг; ¥ - скорость, м/с;

х - массовое расходное паросодержание; шр - массовая скорость, кг/(м2-с);

- разность равновесных массовых концентраций между паром и жидкостью;

ДТ, М - разность температур, К, °С; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); Р - расходное объемное паросодержание;

Ф - истинное объемное паросодержание; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); д - динамический коэффициент вязкости, кг/(м-с); р - плотность, кг/м3;

б - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; у - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; I, с - массовая концентрация, кг/кг, %; т - время, с.

Критерии подобия

Ши=а-(}Д - критерий Нуссельта, Рг=т;/а ~ критерий Прандтля,

- критерий Рейнольдса, Гг=¥2/^-с1) - критерий Фруда, Ga=g■63/v2 - критерий Галилея, Bo=q/(wp•r) - число кипения, г

К = - - критерий Кутателадзе

Ср • №

б

Ще = -— - критерий Вебера

g • Р • (Г

Ч ' 1

Ре= -5--критерий Пекле

г • р" • а

р • 1 (г • р")2 ■ 1

Кр= -— ; К. = -—

б 1 Ср • Тн • р' • б

Х).1. = ( (1-х)/х)° '9 • (р"/р')° '5 • (М'/М")°'1 - параметр Мартинелли

Индексы

верхние ' - насыщенная жидкость; " - сухой насыщенный пар.

нижние ад - аддитивный; бо - большой объем; вк - высококипящий компонент; к - конденсации кон - конвективный теплообмен; кр - критический;

м - масло; н - насыщение;

нк - низкокипящий компонент;

0 - кипение; п - пар;

ст, № - стенка; см - смесь; ор - оребренный; со - в объеме;

1 - на границе раздела фаз.

9

ВВЕДЕНИЕ.

Хлорфторуглероды в течение нескольких десятилетий широко использовались во всем мире в качестве холодильных агентов. Хлорсо-держащие соединения при естественном распаде выделяют атомы хлора, которые вступают в реакцию с озоном, из-за этого уменьшается толщина защитного озонового слоя, предохраняющего Землю от вредного ультрафиолетового излучения.

Для решения проблемы по защите озона были проведены международные совещания, заседания экспертов ЮНЕП ( Организация при ООН по защите окружающей среды ), ряда других международных объединений. В результате, в 1986 году был принят Монреальский протокол, а на последующих международных конференциях были конкретизированы вещества, разрушающие озоновый слой, и определены сроки сокращения и прекращения их производства и потребления. К 1996 году болыиенство стран, подписавших Монреальский протокол, прекратили производство и применение Я12.

В нашей стране создана межведомственная комиссия по охране озонового слоя, которая обязана обеспечит выполнение обязательств России по этим международным соглашениям [106].

Производство И2 в России резко сокращено и в скором времени будет прекращено полностью [61, 106]. В связи с этим, остро встает вопрос о замене его в холодильном оборудовании. Й12 широко используется в бытовых холодильниках, малых холодильных машинах, системах кондиционирования воздуха, а также в некоторых средних и крупных установках. Парк оборудования, работающего на И12, огромен. Только в России около 50 миллионов бытовых холодильников и морозильников, сотни тысяч малых холодильных машин, а срок их эксплуатации может составлять еще 10-20 лет.

Новое оборудование будет работать на новых хладагентах, а для действующего нужно найти такое озононеактивное рабочее вещество, которое позволило бы доработать ему свой ресурс.

Перевод оборудования на работу с новыми хладагентами, такими как И34а, требует высокой степени очистки системы от масла, что технически довольно трудно и экологически недостаточно чисто, да и затраты энергии на выработку холода будут больше, чем у 1*12. Новые хладагенты в настоящее время не выпускаются российской промышленностью, закупки за рубежом в больших количествах не только самих хладагентов, но и сопутствующих им масел и фильтров-осушителей требует значительных финансовых затрат.

Использование Я22 вместо 1112 практически невозможно, так как это приведет к значительному повышению давления в установке, повышению потребляемой мощности, что требует замены электродвигателя на более мощный или выполнения конструктивных изменений в компрессорном агрегате, приводящих к уменьшению холодопроизводи-тельности. На все это требуется специальное разрешение завода-изготовителя. В машинах с герметичными и бессальниковыми компрессорами при использовании К22 будут плохо охлаждаться обмотки встроенного электродвигателя, и он выйдет из строя.

На наш взгляд, в России лучшим вариантом, позволяющим действующему оборудованию доработать свой срок, является перевод его на неазеотропную смесь хладагентов[61,106]. Компоненты этой смеси должны использоваться как хладагенты и выпускаться российской промышленностью в достаточном количестве. Необходимо, чтобы свойства смеси были близки к Я12. Смесь должна нормально работать с маслом ХФ-12-16 во всем диапазоне рабочих температур, значит при использовании смеси вместо 1*12 не потребуется замены масла.

Одно из главных требований состоит в том, что при переходе на смесь потребляемая мощность и холодопроизводительность машины не должны значительно изменяться. Озоноактивность смеси должна быть минимальна.

Использование в качестве рабочего вещества холодильных машин неазеотропных смесей позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с холодильными машинами, работающими на однокомпонентных холодильных агентах [2,17, 24, 33, 75, 86, 93, 94,105,126], в частности:

- уменьшение внутренней необратимости процессов теплообмена в испарителе и конденсаторе при переменных температурах внешних источников;

- одновременное получение в одноступенчатой холодильной машине нескольких температурных уровней при одном и том же давлении в испарителях;

- регулирование холодопроизводительности установки путем изменения количественного состава смеси;

- улучшение возврата масла в картер компрессора при использовании одного из компонентов смеси, хорошо растворяющего смазочное масло;

- возможность отказа от водяного охлаждения конденсатора и переход на воздушное;

- получение низких температур (до -70 °С) без вакуума в испарителе при реализации одноступенчатого цикла.

Опыт показывает, что применение смесей как рабочих тел холодильных машин, возможно и не требует специальных конструктивных переделок холодильного оборудования, а в некоторых случаях смеси хладагентов, использованные вместо чистых веществ, улучшают характеристики холодильных машин.

Известно, что а при кипении и конденсации неазеотропных смесей и составляющих их компонентов значительно отличаются. В то же время, характеристики поршневого компрессора мало изменяются, если рабочие вещества близки по свойствам. Отсюда следует, что главные изменения характеристик холодильных машин будут определяться качеством работы испарителей и конденсаторов, поэтому установление закономерностей теплообмена при кипении и конденсации неазеотропных смесей в отличии от чистых веществ является ключевой частью этой проблемы.

До недавнего времени основные разработки касались термодинамических свойств неазеотропных смесей холодильных агентов, эф-фектвности циклов и возможности работы холодильных машин на смесях, а изучению теплообмена этих смесей уделялось недостаточно внимания. В последние годы в иностранной литературе появились материалы по теплообмену при кипении и конденсации смесей холодильных агентов, но в большинстве своем это были многокомпонентные смеси, имеющие определенные трудности при их практическом внедрении в холодильную технику.

Поэтому установление закономерностей теплообмена при конденсации и кипении неазеотропных смесей, выдача рекомендаций количественного и качественного состава рабочей смеси для замены И2 и апробация результатов исследования является важной и актуальной научно-технической проблемой.

Цели и задачи исследования. - 1. Установление закономерностей теплообмена при конденсации неазеотропных смесей холодильных агентов на поверхности и внутри горизонтальных труб. Для этого необходимо выполнить аналитическое решение задачи по конденсации двухкомпонентной смеси на горизонтальной трубе. Выполнить экспе-

риментальное исследование теплообмена при конденсации смесей из объема и внутри трубы. Получить уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи, обобщающие экспериментальные данные и отражающие влияние параметров, определяющих теплообмен. Выполнить сопоставление аналитического решения и экспериментов.

2. Установление закономерностей теплообмена при кипении неазеотропных смесей холодильных агентов. Для этого необходимо исследовать теплообмен при кипении смесей в большом объеме и внутри трубы. Получить уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи, обобщающие экспериментальные данные и отражающие влияние параметров, определяющих теплообмен.

3. На основании выполненных исследований выбрать смесь, которая может заменить R12. Определить диапазон концентраций смеси, рекомендуемый к использованию в холодильной технике. Определить свойства данной смеси. Построить тепловые диаграммы, необходимые для расчета циклов холодильных машин, работающих на смесях.

4. Выявить возможность, особенности и результаты замены R12 на рекомендуемую смесь в действующих холодильных установках и апробировать результаты исследований. Для этого необходимо определить изменения параметров и характеристик различных холодильных машин, исследовать изменение теплопередачи испарителей и конденсаторов и выдать рекомендации по переводу холодильных машин с R12 на неазеотропную смесь холодильных агентов.

Научная новизна. Впервые выполнено комплексное экспериментальное и аналитическое исследование процессов теплообмена при конденсации и кипении трех бинарных неазеотропных смесей холодильных агентов во всем диапазоне изменения концентраций и режимных параметров, характерных для работы холодильных и теплонасос-

H

ных установок. В результате исследования:

* выполнено аналитическое решение задачи по конденсации бинарной смеси на горизонтальной трубе,

* установлены качественные и количественные закономерности теплообмена при конденсации неазеотропных смесей холодильных агентов как на поверхности, так и внутри горизонтальной трубы, выявлены особенности процесса конденсации смесей по сравнению с однокомпонентными веществами, получены обобщающие уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи,

* установлены закономерности теплообмена при кипении неазеотропных смесей холодильных агентов в большом объеме и внутри горизонтальных труб, выявлены особенности процесса кипения смесей по сравнению с чистыми хладагентами, выполнена оценка влияния масла и оребрения на теплообмен смесей. Получены зависимости, обобщающие экспериментальные данные,

* составлено уравнение для расчета разности равновесных концентраций в паре и жидкости у всех исследованных смесей,

* получены характеристики испарителей и конденсаторов холодильных машин при работе на смесях,

* определены закономерности изменения характеристик холодильных машин и их составных частей при переводе с R12 на неазе-отропную смесь R22/R142b.

На защиту выносятся: аналитическое решение задачи пленочной конденсации бинарной смеси на поверхности горизонтальной трубы. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении и конденсации неазеотропных смесей холодильных агентов на наружной поверхности и внутри горизонтальных труб. Обобщенные соотношения для расчета теплоотдачи при конденсации и кипении смесей.

Результаты испытаний конденсаторов и испарителей в схемах холодильных машин, работающих на смесях.

Экспериментальные и расчетные зависимости для определения разности равновесных концентраций и Т-( диаграммы исследованных смесей; тепловые диаграммы Т-Б для смеси Й22/Н142Ь с концентрациями 0. 6 �