Text (PDF):
Read
Download
Введение Одним из достоинств испарителей с внутритрубным кипением является их малая заправка хладагентом, что особенно важно в судовых установках. Однако в этих аппаратах интенсивность теплоотдачи к хладагенту изменяется по ходу его движения, что связано с изменением гидродинамики потока. Экспериментальное исследование теплоотдачи выполнено на специальном стенде в гладкой трубе из стали марки 1Х18Н9Т диаметром 0,013 мм, длиной 3,3 м и толщиной стенки 0,5 мм. В пяти сечениях по длине трубы установлено по четыре термопары: три на трубе, в верхней, средней и нижней части, и одна в термогильзе для измерения температуры потока. Диапазон изменения режимных параметров: массовая скорость ωρ = 30÷150 кг/(м2·с); температура кипения t0 = 5 ÷ -20 °С; плотность теплового потока q = 1÷10 кВт/м2, что соответствует условиям работы судовых холодильных установок [1]. Для визуальных наблюдений за структурой потока на входе и выходе трубы установлены стеклянные трубки, изготовленные из кварцевого стекла. Рабочее тело - смесевой холодильный агент R406a. Результаты визуальных наблюдений и опытов по кипению хладагента R406a в трубах Участки для наблюдений за потоком позволили выделить следующие режимы движения двухфазного потока при полном выкипании жидкости в конце трубы: эмульсионный, снарядный (пробковый), волновой и расслоенный. При больших значениях массовой скорости - ωρ > 100 кг/(м2·с) - и плотностях теплового потока q > 7 кВт/м2, при неполном выкипании жидкости в конце трубы наблюдались переходный (серповидный) и кольцевой режимы [2]. Интенсивность теплоотдачи к пару зависит от скорости его движения, а теплоотдача к кипящей жидкости - от двух составляющих: интенсивности кипения αкип и скорости движения жидкости αкон. При эмульсионном движении, когда в потоке отмечаются отдельные паровые пузыри, движущиеся со скоростью жидкости, перегрев стенки трубы в верхней, средней и нижней точках по отношению к жидкости одинаков, поскольку теплоотдача здесь определяется в основном скоростью движения, поэтому по всему сечению коэффициенты теплоотдачи в верхней, средней и нижней точках αв, αср, αн - равны. Известно, что отдельные паровые пузыри практически не интенсифицируют теплообмен, поэтому αкип отсутствует. С увеличением массовой скорости ωρ возрастает длина эмульсионного потока, растут и коэффициенты теплоотдачи, с ростом теплового потока q уменьшается длина режима, а с ростом числа центров парообразования также возрастает коэффициент теплоотдачи α. При снарядном режиме в верхней части трубы движутся большие паровые пузыри (пробки) со скоростью несколько большей скорости жидкости, но верх трубы постоянно смочен или перемычками жидкости между пузырями, или плёнкой жидкости в пузыре. Известно, что интенсивность теплоотдачи к испаряющейся пленке очень высока и это приводит к росту αв и уменьшению нагрева стенки в этом месте. В средней части сечения за счёт контакта с быстро движущимися пузырями скорость жидкости несколько больше, чем внизу, поэтому αср > αн; отношение αср и αв к αн представлено на рис. 1 Рис. 1. Отношение α/αн в сечении трубы при снарядном режиме (ωρ = 50 кг/м2; q = 1 кВт/м2; t0 = -10 °C): 1 - начало режима; 2 - конец режима С увеличением массового расхода ωρ протяжённость участка трубы со снарядным режимом увеличивается, и в том же сечении разность температур стенки становится меньше. С увеличением плотности теплового потока q протяжённость снарядного режима сокращается. Он смещается ближе к входу трубы и раньше переходит в волновой. По сравнению с эмульсионным потоком теплоотдача, как локальная, так и средняя, за счёт увеличения скорости становится выше, а перегрев стенки по отношению к температуре жидкости - меньше. В волновом режиме скорость жидкости и особенно пара значительно выше, паровые объёмы больше, чем в снарядном режиме. За волной в верхней части трубы остаётся плёнка жидкости, но, в отличие от снарядного режима, перед следующей волной она успевает испариться, и волна набегает на сухую стенку, происходит частичное «запаривание» верхней части трубы. По мере развития волнового режима эффект «запаривания» возрастает, что приводит к ухудшению теплоотдачи. На рис. 2 приведено соотношение коэффициентов теплоотдачи в одном сечении трубы при различной степени развития волнового движения. Рис. 2. Отношение α/αн в сечении трубы при волновом режиме (ωρ = 100 кг/м2; q = 2 кВт/м2; t0 = -20 °C): 1 - начало режима; 2 - конец режима В начале, когда сухая стенка невелика, за счёт высокой теплоотдачи к испаряющейся плёнке αв > αн. А αср > αн потому, что середина трубы постоянно смочена или волной, или невысыхающей плёнкой. В конце волнового режима, когда число волн, достигающих верхней части трубы, мало, сухая стенка становится больше и за счёт малой теплоотдачи к пару αв значительно уменьшается, в то время как αср и αн растут, что может в среднем компенсировать уменьшение αв. В сравнении со снарядным режимом средняя теплоотдача в потоке несколько выше. При расслоенном режиме (рис. 3) волны не соприкасаются с верхом трубы, а по мере развития режима - и со средней её частью. Рис. 3. Отношение α/αн в сечении трубы при расслоенном режиме (ωρ = 100 кг/м2; q = 10 кВт/м2; t0 = -10 °C): 1 - начало режима; 2 - конец режима Здесь теплообмен значительно хуже, чем в волновом режиме, но теплоотдача αн сначала растёт по мере роста скорости движения донного ручья, однако в хвостовой части трубы скорость ручья снижается из-за уменьшения уровня и трения о стенку трубы, несмотря на возрастающую скорость пара. Заключение В испарители судовых холодильных установок хладагент поступает после дросселирования с начальным массовым паросодержанием Х = 0,1÷0,15 кг/кг, что соответствует снарядному или волновому режиму. Эмульсионный режим может быть только в насосных схемах. Учитывая, что в компрессор не должна попасть жидкость из испарителя, протяжённость расслоенного режима с малой интенсивностью теплоотдачи будет значительной, поэтому коэффициент теплоотдачи α, средний по трубе, в испарителях с внутритрубным кипением будет меньше, чем в затопленных испарителях судовых холодильных установок.