EFFECT OF OIL ON HEAT TRANSFER OF MIXED REFRIGERANT BOILING IN EVAPORATOR TUBES IN REFRIGERATION MACNINES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Postgraduate Student of the Department of Power Engineering and Refrigerating Machines)
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
(Assistant Professor of the Department of Heat-Power Engineering and Refrigerating Machines)
Russian Federation
Russian Federation
4.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Heat Power Engineering and Refrigeration Machines)
Type:
Article
Pages:
from 88
to 93
Status:
Published
Received:
20.08.2019
Accepted:
25.08.2019
Published:
25.08.2019
Subject area:
UDK 629.12
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
heat transfer, hydrodynamics, refrigerant, oil, boiling, two-phase flow, freon oil foam
Abstract (English):
The paper presents the results of an experimental study of the effect of oil on the heat transfer rate at boiling of mixed refrigerant R406A. Since the air conditioning system is not a pure refrigerant, but a mixture of oil with a concentration of up to 8%, such an amount of oil affects both hydrodynamics and heat exchange in the evaporators. The experimental work covers the entire range of regime parameters typical for these systems. There is shown the process of changing oil concentration in the pipe, as the working fluid boils, proving that most of the oil pipe does not impair the heat exchange in the course of two-phase flow boiling. Different modes of refrigerant R406A boiling dynamics have been defined, and each mode is given a quantitative assessment in terms of the effects of the oil and explaining of this effect on the fluid flow and heat transfer based on visual observations and the experiment results. The main factor of the effect is the freon-oil foam, which increases the proportion of the wetted surface in the wave and stratified modes and the heat transfer rate to 30%. A comparison of the heat transfer coefficients both in the cross section and along the pipe length has been performed, showing that the maximum change in heat transfer occurs in the upper part of the surface due to developing a dry wall on it and wetting it with freon-oil foam. A comparison of the heat transfer rate of pure refrigerant R406A has been done; the presence of oil in it shows that the effect of oil is complex and ambiguous. Calculation and criterion dependences for calculation of heat transfer coefficients in different modes have been proposed.
The paper presents the results of an experimental study of the effect of oil on the heat transfer rate at boiling of mixed refrigerant R406A. Since the air conditioning system is not a pure refrigerant, but a mixture of oil with a concentration of up to 8%, such an amount of oil affects both hydrodynamics and heat exchange in the evaporators. The experimental work covers the entire range of regime parameters typical for these systems. There is shown the process of changing oil concentration in the pipe, as the working fluid boils, proving that most of the oil pipe does not impair the heat exchange in the course of two-phase flow boiling. Different modes of refrigerant R406A boiling dynamics have been defined, and each mode is given a quantitative assessment in terms of the effects of the oil and explaining of this effect on the fluid flow and heat transfer based on visual observations and the experiment results. The main factor of the effect is the freon-oil foam, which increases the proportion of the wetted surface in the wave and stratified modes and the heat transfer rate to 30%. A comparison of the heat transfer coefficients both in the cross section and along the pipe length has been performed, showing that the maximum change in heat transfer occurs in the upper part of the surface due to developing a dry wall on it and wetting it with freon-oil foam. A comparison of the heat transfer rate of pure refrigerant R406A has been done; the presence of oil in it shows that the effect of oil is complex and ambiguous. Calculation and criterion dependences for calculation of heat transfer coefficients in different modes have been proposed.
Keywords:
heat transfer, hydrodynamics, refrigerant, oil, boiling, two-phase flow, freon oil foam
heat transfer, hydrodynamics, refrigerant, oil, boiling, two-phase flow, freon oil foam
Введение После прекращения применения по экологическим требованиям в системах кондиционирования воздуха популярных фреонов, которые являлись чистыми веществами, взамен им предложены многокомпонентные хладагенты, например R406A, являющийся зеотропной смесью, имеющей значительную неизотермичность при фазовых переходах. Данный хладагент кипит в трубах испарителей или воздухоохладителей. Испарители с внутритрубным кипением имеют меньшую заправку рабочим телом, но и меньший коэффициент теплоотдачи при кипении, что приводит к необходимости увеличения теплообменной поверхности. Кипение хладагента в трубе определяет сложную гидродинамику двухфазного потока по мере изменения паросодержания, которая во многом определяет интенсивность теплообмена [1-3]. Всё это говорит о неоднозначности и сложности процесса теплоотдачи при внутритрубном кипении, который усугубляется наличием растворимого во фреоне масла. Масло при некоторых рабочих концентрациях вспенивается и искажает гидродинамику потока и интенсивность теплоотдачи при кипении. Кроме того, наличие масла до 8 % заметно изменяет такие свойства рабочего тела, как вязкость, теплопроводность, что также отразится на теплоотдаче. Для смазки деталей компрессоров используется синтетическое масло BSE 32, хорошо растворимое с фреоном и циркулирующее с ним в системе. Как подтвердили специальные исследования [1], унос масла из компрессора составляет 0,4÷1,2 % рабочего тела, а с учётом отделения примерно 50 % в маслоотделителе унос в конденсатор и далее в испаритель составит 0,2÷0,6 %. При внутритрубном кипении в испарителе по ходу движения хладагента концентрация масла ξм увеличивается. Поскольку в компрессор не должна поступать жидкость, её выкипание в испарителе должно быть практически полным, до 90÷95 %. Оставшийся жидкий холодильный агент испаряется в теплообменнике и всасывающем трубопроводе, а чистое масло поступает в компрессор малыми, не опасными порциями. Материалы и результаты исследования Эксперименты проводились на специальном стенде с хладагентом R406A в трубе длиной 3,3 м, диаметром 13 мм, толщиной стенки 0,5 мм, выполненной из стали 1Х18НТ. Диапазон изменения режимных параметров: массовая скорость ωρ = 30÷150 кг/(м2·с); температура кипения t0 = 5÷-20 °C; плотность теплового потока q = 1÷10 кВт/м2. Концентрация масла на входе в трубу ξм = 0÷4 %. Для визуальных наблюдений на входе и выходе трубы установлены стеклянные трубки. На рис. 1 представлено изменение концентрации масла по длине трубы в испарителе с внутритрубным кипением. Рис. 1. Зависимость ξм = f(L) при полном выкипании хладагента R406A в испарителе с внутритрубным кипением при начальной концентрации масла: 1 - ξм = 0,25 %; 2 - ξм = 0,5 %; 3 - ξм = 1 % Согласно рис. 1 на выходе из трубы испарителя концентрация масла ξм не превышает 5-6 %, а на большей её части ξм - 3 %. Выполненные ранее исследования подтвердили, что при концентрации масла меньше 3 % интенсивность кипения хладагента становится больше, чем при кипении чистого рабочего вещества [2]. Также отмечено, что при ξм < 0,4 % гидродинамика потока хладагента не изменится, а при больших концентрациях при кипении в трубах отмечается пенообразование, поэтому влияние масла на гидродинамику кипящего R406A в испарителе, безусловно, скажется. Степень влияния масла на теплообмен зависит от режима движения потока. Хладагент поступает в испаритель после дросселирующего клапана при паросодержании Х = 0,1÷0,15 кг/кг. Это соответствует снарядному или волновому движению потока. Эмульсионный поток может быть при насосной подаче. В эмульсионном потоке добавка масла практически не влияет на теплообмен, поскольку теплоотдача α определяется в основном скоростью движения жидкости, а при такой концентрации масла ξм свойства рабочего вещества практически не изменяются и пенообразования нет. Коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле (1) При снарядном режиме движения потока наличие масла также не влияет на теплообмен, поскольку масляная пена находится внутри пузыря и не соприкасается с теплопередающей поверхностью [4]. И в этом режиме теплоотдача αкон определяется скоростью движения потока, а кипение αкип мало интенсифицирует теплообмен. При обработке опытных данных в снарядном режиме получена зависимость (2) В уравнении (2) коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции жидкости αкон рассчитывается по (1) по истинной скорости жидкости, а αкип - по зависимости где - характеризует соотношение между теплотой испарения и свободной энергией поверхностного слоя. В волновом режиме наличие масляной пены значительно увеличивает смоченную поверхность. При режимах, которые для чистого хладагента соответствовали волновому режиму, при наличии масла вся теплообменная поверхность оказалась смоченная волной или масляной пеной. На рис. 2 приведён график распределения температуры по стенке трубы в одном сечении по отношению к t0 при волновом режиме с маслом и без него. Рис. 2. Распределение температур по стенке трубы при волновом режиме с маслом и без масла при ωρ = 100 кг/(м2·с); q = 2 кВт/м2; P = 0,539 МПа При ξм = 0 температура в верхней части трубы больше, чем в нижней, что объясняется наличием сухой стенки. Интенсивность теплоотдачи, связанная с кипением, ещё не велика, поскольку в этих режимах отмечается неразвитое кипение. Интенсификация теплообмена при наличии масла происходит в основном за счёт увеличения доли смоченной поверхности в верхней части трубы. Влияние масла на α в этом режиме неоднозначно. Как подтвердили визуальные наблюдения, при ξм < 0,4 % этого влияния нет, поскольку нет пенообразования, а концентрация масла практически не изменяет свойств рабочего тела. Рост ξм > 3 % приводит к снижению теплоотдачи. На рис. 3 и 4 представлено увеличение коэффициента теплоотдачи при наличии масла по сравнению с α чистого хладагента R406А. Рис. 3. Отношение коэффициентов α масла / α чистого хладагента при волновом режиме: ωρ = 50 кг/(м2·с); q = 2 кВт/м2; t = -10 °С Рис. 4. Отношение коэффициентов α масла / α чистого хладагента при расслоенном режиме: ωρ = 100 кг/(м2·с); q = 2 кВт/м2; t = -20 °С В начале режима, который соответствует расслоенному при кипении чистого хладагента, верхняя часть трубы остаётся смоченной масляными пробками, которые движутся большими объёмами по поверхности жидкости или летящими в паровом объёме малыми порциями. На рис. 5 приведено распределение температур в сечении трубы при параметрах, которые определяют расслоенный режим течения чистого хладагента. Рис. 5. Отношение α/αн в сечении трубы при расслоенном режиме: ωρ = 50 кг/(м2·с); q = 2 кВт/м2; t = -10 °С; 1, 2 - в начале режима, 3, 4 - в конце трубы Максимальная теплоотдача в начале режима отмечена в верхней части, т. к. она смачивается пеной. В конце трубы при паросодержании Х = 0,90÷0,95 кг/кг визуально отмечено наличие слабокипящего ручья у нижней образующей трубы с небольшой шапкой пены. В паровой области пены нет. Здесь теплоотдача определяет скорость движения пара и αкип фреономасляного раствора с высоким содержанием масла. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при расслоенном режиме движения двухфазного потока, Вт/(м2·K), можно предложить зависимость (3) где αж - коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости; αn - коэффициент теплоотдачи движущегося пара; Fcм - смоченная поверхность сечения трубы, м2; F - периметр сечения трубы, м2. Заключение Расчёт по формуле (3) подтвердил хорошую сходимость с результатами эксперимента. В результате исследования влияния масла на гидродинамику и теплообмен двухфазного кипящего потока хладагента R406A: - получены расчётные формулы и критериальные зависимости, позволяющие рассчитать коэффициент теплоотдачи при кипении хладагента R406A с маслом в трубах испарителей охлаждающих систем; - произведена оценка влияния масла на гидродинамику двухфазного потока; - определено влияние масла на теплоотдачу при кипении как по сечению трубы, так и по её длине.
1. Bukin V. G., Kuz'min A. Yu. Eksperimental'noe issledovanie malyh holodil'nyh ustanovok na smesi R22/142b // Holodil'naya tehnika. 1996. № 5. S. 12-15.
2. Komarov V. V., Shurshev V. F., Bukin V. G. Teplootdacha pri kipenii smesi R12/22 c maslami na trube // Issledovanie teplofizicheskih svoystv veschestv i processov teploobmena v holodil'noy tehnike. L.: Izd-vo Leningrad. tehnol. in-ta, 1989. S. 90-94.
3. Bukin V. G., Kuz'min A. Yu., Ezhov A. V. Vliyanie dobavki masla pri kipenii smesi R22/142b vnutri gorizontal'noy truby na gidrodinamiku potoka // Nizkotemperaturnye i pischevye tehnologii v HHI v.: materialy Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. (Sankt-Peterburg, 06-07 iyunya 2001 g.). CPb.: Izd-vo SPbGUNiPT, 2001. S. 139-144.
4. Bukin V. G., Kuz'min A. Yu., Ezhov A. V. Issledovaniya intensivnosti teplootdachi i mehanizm processa kipeniya binarnyh neazeotropnyh smesey // Sovershenstvovanie energeticheskih sistem i kompleksov: sb. nauch. tr. Saratov: Izd-vo GTU, 2000. S. 24-32.
