IMPROVING HEAT TRANSFER EFFICIENCY OF SHELL AND TUBE EVAPORATORS OF MARINE REFRIGERATING INSTALLATIONS
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Heat Power Engineering and Refrigeration Machines)
2.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 90
to 94
Status:
Published
Received:
20.04.2013
Accepted:
25.04.2013
Published:
25.04.2013
Subject area:
UDK 621.565
BBK 31.392.2:[31.312.6:31.368]
BBK 31.392.2:[31.312.6:31.368]
Language:
Russian
Keywords:
marine refrigerating installations, heat transfer, boiling, refrigerant, evaporator
Abstract (English):
The results of investigations to determine the heat transfer of refrigerant R410A in shell and tube evaporators of marine refrigerating installations are presented. The effect of surface configuration and oil concentration on the nucleate boiling on heat transfer coefficients of different surfaces is investigated. The results of the study allow making a conclusion that the use of tubes with the developed surface geometry provides increase in heat transfer coefficient. It is advisable to replace the standard fins tubes of marine flooded shell and tube evaporator with tubes with enhanced surfaces.
The results of investigations to determine the heat transfer of refrigerant R410A in shell and tube evaporators of marine refrigerating installations are presented. The effect of surface configuration and oil concentration on the nucleate boiling on heat transfer coefficients of different surfaces is investigated. The results of the study allow making a conclusion that the use of tubes with the developed surface geometry provides increase in heat transfer coefficient. It is advisable to replace the standard fins tubes of marine flooded shell and tube evaporator with tubes with enhanced surfaces.
Keywords:
marine refrigerating installations, heat transfer, boiling, refrigerant, evaporator
marine refrigerating installations, heat transfer, boiling, refrigerant, evaporator
Введение Чиллеры предназначены для охлаждения воды и других холодоносителей, которые используются в системах кондиционирования и холодоснабжения. Чиллеры устанавливают на судах с большой протяженностью трубопроводов между чиллером и воздухоохладителем, особенно если на борту несколько воздухоохладителей, что характерно для пассажирских судов. На современных судах устанавливают чиллеры известных фирм, например серия RSW тип VKN (Teknotherm) [1] – это чиллеры водяного охлаждения с диапазоном мощности от 100 до 1 500 кВт, cерия PFS «B» 103.1-296.2 (McQuay-Daikin) – чиллеры с водяным конденсатором и винтовыми компрессорами, холодопроизводительность – 370–1 050 кВт [2]. В чиллерах, используемых на судах, широкое распространение получили кожухотрубные испарители [3], в которых рассол охлаждается при движении внутри трубок, а хладагент кипит в межтрубном пространстве. Достоинствами горизонтальных кожухотрубных испарителей являются простота изготовления и компактность конструкции, эффективность теплопередачи, возможность применения в закрытых рассольных системах охлаждения. В судовых системах кондиционирования воздуха основная доля массы (35–45 %) приходится на кожухотрубные испарители. Интенсивность теплообмена в кожухотрубных испарителях со стороны хладагента существенно ниже, чем со стороны хладоносителя, поэтому наилучший способ снижения их массы и габаритных размеров – интенсификация процесса кипения хладагента на наружной поверхности труб. Интенсифицировать процесс кипения можно различными путями: развитием структуры наружной поверхности, увеличением ее шероховатости, покрытием теплопередающих трубок неметаллическими и несмачивающимися веществами, применением пористых металлических покрытий, мелкоячеистыми сетками. Возможна также комбинация этих способов. Перспективным направлением в интенсификации процесса кипения на наружной поверхности труб является применение теплопередающих труб с частично замкнутым объемом (ЧЗО) [4]. Трубы с ЧЗО, запатентованные нами [5–6], получают различными способами. Трубы Г-профиля выполнены путем пропускания исходной трубы со спирально-накатными ребрами через протяжку, диаметр которой меньше диаметра исходной трубы. Трубы Y-профиля выполнены путем прокатки режущим диском по середине верхней кромки ребра прямоугольного профиля. Способ интенсификации кипения с применением труб с ЧЗО сочетает, в определенной степени, увеличение теплообменной поверхности, достигаемое на ребристых трубках, с благоприятными условиями зарождения и роста паровых пузырей, что свойственно поверхностям с ЧЗО. Основными преимуществами этого способа являются простота изготовления, низкая стоимость. Эксперименты Нами экспериментально исследовался теплообмен при пузырьковом кипении хладагента R410A с разными концентрациями масла на стандартно оребренной трубе и трубах с развитой поверхностью (табл.). Характеристики труб ТрубаДиаметр наружный, ммДиаметр внутренний, ммВысота ребра, ммШаг между осями ребер, ммВеличина щелевого зазораПоверхность наружная, м2Поверхность внутренняя, м2Коэффициент оребрения Оребренная21,013,22,252,0–0,04370,0123,64 Г-профиля20,513,22,0–0,250,04580,0123,82 Y-профиля21,013,22,25–0,250,05040,0124,2 Для изучения интенсификации кипения на трубах с ЧЗО были проведены эксперименты на стенде и по методике, описанной в [7]. Эксперименты позволяют определить плотность теплового потока q = N/F, Вт/м2, где N – электрическая мощность, снятая с нагревателя, Вт; F – площадь теплообменной поверхности экспериментальной трубы, м2; коэффициент теплоотдачи α = q/(tст – tн), Вт/(м2×К), где tст – средняя температура наружной поверхности стенки; tн – температура насыщения исследуемого вещества, К; α и q отнесены к внутренней поверхности труб. В опытах температура насыщения смеси устанавливалась от –20 до +5 °C, рн = 400–931 кПа, плотность теплового потока q изменялась от 1 до 20 кВт/м2. Использован хладагент R410A с концентрацией масла ξм = 0, 2, 5 и 10 %. Рабочую весовую концентрацию масла определяли как ξм = = Gм.100/(Gм + Gх), %, где Gм и Gх – соответственно заправочный вес масла и хладагента. В качестве смазочного материала применили синтетическое масло POE Bitzer BSE32. Результаты исследований и их обсуждение Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 1–4. В опытах с чистым хладагентом R410A (ξм = 0 %) установлено, что с ростом q значения α повышаются (рис. 1). Это объясняется тем, что с увеличением тепловой нагрузки увеличивается число действующих центров парообразования, и, следовательно, улучшается процесс теплоотдачи от стенки к жидкости. Из рис. 1 видно, что коэффициент теплоотдачи при кипении на стандартной оребренной трубе ниже, чем при кипении чистого хладагента на трубе с ЧЗО, т. к. трубы с развитой поверхностью обеспечивают повышенную производительность за счет более высокой плотности активных центров зарождения и, возможно, более интенсивного движения жидкости в каналах. Как показали визуальные наблюдения, начало процесса кипения на трубах с ЧЗО происходит при меньших температурных напорах в сравнении с оребренной трубой. На рис. 2 представлена зависимость αЧЗО/αоребр. = f (q) при кипении на трубах (t0 = –20 °C, ξм = 2 %) для всех видов труб. Экспериментально установлено, что при добавлении масла ξм = 2 % интенсивность кипения на трубе с ЧЗО почти в 1,1...1,3 раза больше, чем на стандартно оребренной трубе. Это связано с тем, что ЧЗО обеспечивает снарядный режим движения двухфазного потока хладагента, позволяя подводить теплоту к ограниченному объему жидкости с большей поверхностью. Все это интенсифицирует процесс кипения. Рис. 1. График α = f(q) при кипении на трубах, t0 = –5 °C, ξм = 0 % Рис. 2. График αчзо/α оребр = f(q) при кипении на трубах, t0 = –20 °C, ξм = 2 % Из рис. 2 следует, что при ξм = 2 % интенсивность теплообмена у труб с Y-профилем выше, чем у труб с Г-профилем. Это связано с тем, что на трубах с Y-профилем процесс возникновения, роста и отрыва пузырей интенсивнее и коэффициент оребрения выше, чем у трубы с Г-профилем. На рис. 3 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи, отнесенной к внутренней поверхности труб, от плотности теплового потока, ξм = 5 % для всех видов труб. Рис. 3. График α = f (q) при кипении на трубах, t0 = –20 °C, ξм = 5 % Данные по влиянию концентрации масла на коэффициент теплоотдачи при кипении хладагента R410A для трубы Y-профиля показаны на рис. 4. Рис. 4. Влияние концентрации масла ξм на коэффициент теплоотдачи при кипении хладагента R410А для Y-образной формы ребра при различных значениях плотности теплового потока, tн = +5 °C Из рис. 4 очевидно, что с увеличением концентрации масла производительность трубы Y-профиля падает, особенно значительно – при концентрации масла равной 10 %. Результаты эксперимента показывают, что влияние концентрации масла на коэффициент теплоотдачи слабее для интегрально оребренных труб. Высокая концентрация масла является главным фактором деградации коэффициента теплоотдачи при кипении на трубах с развитой поверхностью. Возможно, это связано с тем, что в трубах с ЧЗО затруднено удаление масла из объема вследствие малой величины зазора между ребрами, что ухудшает процесс теплообмена. Заключение Таким образом, использование труб с развитой геометрией поверхности обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи. В судовых кожухотрубных испарителях затопленного типа теплообменные трубы со стандартным оребрением целесообразно заменять на трубы с развитыми поверхностями.
1. Teknotherm refrigeration. Product catalogue 9.2010.
2. McQuay-Daikin. Katalog promyshlennogo oborudovaniya 2012.
3. Koliev I. D. Sudovye holodil'nye ustanovki. - Odessa: Feniks, 2009. - S. 73-74.
4. Bukin V. G., Said Ahmed el' Said, Ahmed el' Refai Mohammed Emam. Rezul'taty eksperimental'nogo issledovaniya intensifikacii teploobmena pri kipenii na trubah smesevogo hladagenta // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. - 2008. - № 2 (43). - S. 179-184.
5. Pat. RF № 89680. Isparitel' / Bukin V. G., Kuz'min A. Yu., Vasil'ev V. N., Biryulin I. V.; opubl. 10.12.2009.
6. Pat. RF № 123910. Teploobmennaya truba / Bukin V. G., Bukin A. V., Ho V'et Hyng; opubl. 10.01.2013, Byul. № 1.
7. Bukin V. G., Kuzmin A. Yu., Vasil'ev V. N. Eksperimental'noe issledovanie intensifikacii teplootdachi pri kipenii mnogokomponentnogo hladagenta R407C // Izv. Kaliningrad. gos. tehn. un-ta. - 2004. - № 6. - C. 177-185.
