ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В КОЖУХОТРУБНЫХ ИСПАРИТЕЛЯХ СУДОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, профессор; профессор кафедры теплоэнергетики и холодильных машин)
2.
Астраханский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 90
по 94
Статус:
Опубликован
Получено:
20.04.2013
Одобрено:
25.04.2013
Опубликовано:
25.04.2013
Классификаторы:
УДК 621.565
ББК 31.392.2:[31.312.6:31.368]
ББК 31.392.2:[31.312.6:31.368]
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
судовые холодильные установки, теплоотдача, кипение, хладагент, испаритель
Аннотация (русский):
Излагаются результаты исследования по кипению хладагента R410A в кожухотрубных испарителях судовых холодильных установок. Изучено влияния конфигурации поверхности и концентрации масла на коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении на различных поверхностях. Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что 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.
Излагаются результаты исследования по кипению хладагента R410A в кожухотрубных испарителях судовых холодильных установок. Изучено влияния конфигурации поверхности и концентрации масла на коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении на различных поверхностях. Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что 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.
Ключевые слова:
судовые холодильные установки, теплоотдача, кипение, хладагент, испаритель
судовые холодильные установки, теплоотдача, кипение, хладагент, испаритель
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. Каталог промышленного оборудования 2012.
3. Колиев И. Д. Судовые холодильные установки. - Одесса: Фенiкс, 2009. - С. 73-74.
4. Букин В. Г., Саид Ахмед эль Саид, Ахмед эль Рефаи Мохаммед Эмам. Результаты экспериментального исследования интенсификации теплообмена при кипении на трубах смесевого хладагента // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 2 (43). - С. 179-184.
5. Пат. РФ № 89680. Испаритель / Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Васильев В. Н., Бирюлин И. В.; опубл. 10.12.2009.
6. Пат. РФ № 123910. Теплообменная труба / Букин В. Г., Букин А. В., Хо Вьет Хынг; опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1.
7. Букин В. Г., Кузмин А. Ю., Васильев В. Н. Экспериментальное исследование интенсификации теплоотдачи при кипении многокомпонентного хладагента R407C // Изв. Калининград. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 6. - C. 177-185.
