Результаты экспериментального исследования интенсификации теплообмена при кипении на трубах смесевого хладагента

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

УДК 621.564

В. Г. Букин, Саид Ахмед эль Саид, Ахмед эль Рефаи Мохаммед Эмам

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ НА ТРУБАХ СМЕСЕВОГО ХЛАДАГЕНТА

Простейшим случаем пузырькового кипения является кипение на горизонтальной поверхности нагрева в большом объеме. В данном случае механизм процесса передачи теплоты от греющей стенки и жидкости к ее пару не осложнен дополнительными факторами, препятствующими его пониманию. Однако в настоящее время аналитически описать указанный процесс очень трудно. Причины этого состоят в сложности описываемого явления. При составлении системы уравнений, описывающих процесс кипения, необходимо учесть сопряженный характер задачи, механизм процесса зарождения паровой фазы, роста одиночных паровых пузырей, их взаимное влияние, влияние на процесс внешних факторов и т. д.

Теплота при кипении передается следующими путями: испарением микрослоя жидкости, расположенного между растущим пузырем и поверхностью нагрева; выталкиванием части перегретого пристенного слоя жидкости растущим пузырем в объем более холодной жидкости; турбулиза-цией пристенного слоя растущими и поднимающимися паровыми пузырями; усилением неупорядоченной циркуляции жидкости вблизи поверхности нагрева. При этом подъемное движение жидкости вызывается ее увлечением в кильватерную струю оторвавшегося и поднимающегося пузыря, а опускное - движением холодной жидкости из объема на место жидкости, увлеченной пузырем.

Реально все механизмы действуют совместно, не изолированно, а взаимосвязанно. Поэтому результаты, полученные на основании упрощенных моделей процесса, не позволяют рассчитать его интенсивность с приемлемой погрешностью.

В настоящее время известно много безразмерных уравнений подобия, связывающих величину коэффициента теплоотдачи с теми или иными параметрами процесса. В связи со сложностью рассматриваемого явления не существует единой точки зрения на выбор и составление критериев, входящих в уравнение. Наряду с уравнениями подобия существует множество чисто эмпирических уравнений, полученных на основании экспериментальных данных. При этом, если воспользоваться многими эмпирическими коэффициентами, удается построить формулы, более или менее пригодные для ряда жидкостей в некотором интервале изменения параметров процесса.

Незавершенность, неполнота теоретического описания кипения, невозможность расчета характеристик теплоотдачи с приемлемой точностью во многих конкретных случаях вызывают повышенный интерес к его экспериментальному исследованию, в частности к выявлению влияния на закономерности процесса некоторых факторов.

К основным факторам, определяющим теплоотдачу при кипении, можно отнести теплофизические и физико-химические свойства поверхности нагрева, теплофизические свойства кипящей жидкости, внешние параметры процесса (величина гравитационного поля, ориентация поверхности нагрева, давление) и некоторые другие.

Имеющиеся экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о том, что свойства материала теплоотдающей поверхности оказывают влияние на перенос теплоты при пузырьковом кипении. Особенно ярко это проявляется при кипении криогенных жидкостей, что в первую очередь связано с существенными различиями теплофизических свойств разных материалов поверхности нагрева при низких температурах [1-3].

Причину влияния свойств поверхности на интенсивность теплоотдачи можно выявить, если рассмотреть механизм микрослоевого роста паровых пузырей.

При низких приведенных давлениях в процессе роста пузыря между ним и поверхностью нагрева образуется очень тонкий слой жидкости - микрослой, через который и осуществляется подвод в растущий пузырь значительной доли теплоты от поверхности нагрева. При этом теп-

ловые потоки, реализуемые в основании пузыря, могут существенно (на порядок) превышать средний тепловой поток на поверхности. Таким образом, растущий пузырь является интенсивным стоком теплоты, которую он отбирает от поверхности, причем в значительной степени -за счет энергии, аккумулированной в поверхностном слое материала стенки. Фактически этот процесс реализуется в виде температурных пульсаций поверхности нагрева под растущими пузырями. Количество же теплоты, аккумулированной в материале поверхности, и возможность ее передачи растущему пузырю зависят в первую очередь от теплофизических свойств поверхности, в частности от коэффициента теплоусвоения материала [3]:

Свойства поверхности нагрева влияют на интенсивность теплоотдачи посредством изменения температурного напора начала кипения, отрывного диаметра и числа действующих центров парообразования.

Установлено, что на поверхностях с высокими теплоаккумулирующими свойствами процесс кипения начинается раньше. Это объясняется тем, что возможность возникновения кипения обусловлена двумя факторами: вероятностью образования зародыша с размером, большим критического, и наличием условий для его роста до отрыва. Если вероятность появления зародыша на поверхностях из разных материалов, но одинаковой геометрии при равных перегревах стенки можно считать одинаковой, то их дальнейшая судьба может быть различной. Рост пузыря после выхода из устья впадины и увеличения до макроскопических размеров определяется в основном величиной теплоподвода в него. При этом подвод теплоты в пузырь может происходить как через микрослой, так и из окружающего его слоя перегретой жидкости. Если допустить, что верхняя часть пузыря находится в жидкости с температурой меньшей, чем температура пара в пузыре, то на указанной части его поверхности начнется конденсация пара. Очевидно, возможности роста пузыря в таких условиях зависит от соотношения скорости подвода и отвода теплоты. При этом для материалов с высокой теплоаккумулирущей способностью скорость подвода теплоты в пузырь будет выше, что и создает возможность более раннего закипания на них [1-3].

Интенсивность теплоподвода за счет теплоты, аккумулированной поверхностью, влияет также на изменение отрывного диаметра на поверхностях из различных материалов. Это обусловлено тем, что среди сил, действующих на пузырь в момент отрыва и определяющих его возможности, заметную роль играет сила инерции жидкости, которая зависит от скорости его роста. На последнюю в первую очередь влияет скорость подвода теплоты в растущий пузырь.

Кроме того, на интенсивность теплоотдачи при кипении влияет и толщина греющей стенки. В зависимости от теплопроводности материала поверхности нагрева, пульсации температуры, возникающие под растущим пузырем, проникают на ту или иную глубину, т. е. изменяется величина объема поверхности, из которого растущий пузырь отбирает аккумулированную теплоту. Чем выше теплопроводность материала, тем на большую глубину проникают пульсации температуры. Если толщина поверхности нагрева меньше возможной глубины их проникновения, скорость подвода теплоты в растущий пузырь снижается, что вызывает общее уменьшение интенсивности теплоотдачи.

Наряду с теплофизическими свойствами поверхности нагрева на процесс кипения значительное влияние оказывает и микрогеометрия поверхности нагрева, в частности её шероховатость. Центрами парообразования могут быть те элементы поверхности, которые не заполняются жидкостью после отрыва пузыря. Возможность заполнения впадины зависит как от ее размера и формы, так и от смачиваемости поверхности жидкостью. Впадины крупного размера заполняются жидкостью и активными центрами быть не могут.

Для впадины небольшого размера характерен высокий перегрев начала кипения. Очевидно, существуют впадины оптимального размера и формы, у которых интенсивность теплоотдачи максимальна. Это подтверждается экспериментальными данными, указывающими на асимптотический характер изменения коэффициента теплоотдачи с ростом шероховатости поверхности нагрева: по мере увеличения шероховатости происходит повышение коэффициента теплоотдачи, однако оно постепенно замедляется и при достижении некоторой шероховатости прекращается.

В последнее время большое внимание уделяется интенсификации теплообмена при кипении путем создания поверхностей со специальными свойствами - нанесением искусственных покрытий, в частности металлических капиллярно-пористых. При этом происходит снижение температурного напора начала кипения, повышение интенсивности теплоотдачи.

Очевидно, механизм процесса переноса теплоты в капиллярно-пористых покрытиях значительно отличается от механизма на гладкой поверхности и полностью еще не выяснен. По-видимому, он зависит от многих факторов, в частности от материала и структуры, способа получения капиллярно-пористого покрытия.

Теплофизические свойства кипящих жидкостей также заметно влияют на механизм и интенсивность процесса теплообмена при кипении.

Существенное влияние на интенсивность теплоотдачи при кипении оказывает давление. В зависимости от его величины изменяются отрывной диаметр, частота отрыва и плотность действующих центров парообразования. В основном с ростом давления интенсивность теплоотдачи возрастает, кривые кипения смещаются в область более низких температурных напоров, их наклон уменьшается, это определяется главным образом ростом числа действующих центров парообразования. Без учета зависимости давления насыщения от кривизны раздела фаз критический радиус пузыря определяется формулой

К =

2с

ёТ

При постоянном перегреве ёТ увеличение давления приводит к уменьшению поверхностного натяжения и росту производной (ёр/ёТ). При этом критический радиус пузыря уменьшается, что приводит к росту плотности центров парообразования [3].

Для выявления влияния состояния теплообменной поверхности на теплоотдачу при кипении смесевых хладагентов был создан стенд и разработана методика эксперимента [4]. В опытах использовались гладкие медные трубы, трубы со стандартным оребрением, трубы с частично замкнутым объемом (ЧЗО), полученным сгибанием ребер, и трубы с пористой теплообменной поверхностью, полученной методом спекания. Эксперименты проводились на неазеотропной

смеси Я22/142Ь (60/40) в диапазоне изменения плотности теплового потока q = 1...10 кВт/м2,

температуры насыщения 10 = +10... - 20 °С.

На рис. 1 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока для труб с различным состоянием теплообменной поверхности.

3 000

ц, Вт/м2

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока при Р0 = 0,17 МПа

для различных поверхностей теплообмена

При кипении на гладкой трубе можно выделить две зоны теплообмена: неразвитое кипение - до ц = 3 000 Вт/м2 и развитое - при больших значениях плотности теплового потока.

Зона неразвитого кипения смещается в сторону меньших плотностей теплотока при использовании труб со специальными теплообменными поверхностями. Так, для оребренных труб точка перегиба соответствует q = 2 500 Вт/м2, для труб с ЧЗО q = 2 000 Вт/м2, а для труб с пористой поверхностью даже при минимальных значениях q отмечается развитое кипение. С ростом давления область перехода к развитому кипению смещается в сторону меньших значений q.

Для сравнения приведены данные по кипению R12 на гладкой трубе (рис. 1), которые в пределах погрешности эксперимента совпадают с данными по кипению смеси К22/142Ь (60/40) на той же трубе, хотя можно отметить несколько большую степень влияния q на а при развитом кипении.

Эксперимент показал, что интенсивность кипения на пористой поверхности почти в 4 раза больше, чем на гладкой, т. к. на ней создаются лучшие условия для формирования, роста и отрыва паровых пузырей, поскольку микрослой жидкости у парового пузыря образуется не только внизу, но и на всей его поверхности. На других поверхностях условия для теплообмена несколько хуже, а потому интенсивность теплоотдачи у трубы с ЧЗО примерно в 3 раза, а у оребренной - в 2 раза лучше, чем у гладкой.

Можно отметить и различную степень влияния q на а в зависимости а ~ qn. Для гладких труб п = 0,7, для оребренных п = 0,62, для труб с ЧЗО п = 0,56, а для пористых труб п = 0,42. На рис. 2 представлены результаты сравнения коэффициентов теплоотдачи при кипении смеси на трубах с различной поверхностью и при кипении R12 на гладкой трубе.

a/aRi2

8

6

3' і 1 1 1

2^ і < Ь А » 1 1 1 \ —А— 1

0,8 =4 1 4

0,6

0,5

0,4

0,3

0,1 —•— Гладкая труба —*— Стандартное оребрение —Частично замкнутый объём Пористая труба 1 1 1 1 1 1

1 000 2 000' 3 000 4 000' 5 000 6 000 8 000 10 000

q, Вт/м2

Рис. 2. Зависимость а/ащ2 от плотности теплового потока при /0 = -20 °С

Данный график показывает, что при замене Я12 на смесь Я22/142Ь испарители с гладкими трубами не изменяют (в пределах погрешности эксперимента) своей производительности, а в области малых тепловых нагрузок, характерных для холодильной техники, холодопроизво-дительность будет несколько выше.

Трубы со стандартным оребрением имеют значительно больший коэффициент теплоотдачи. Еще большее увеличение а отмечено у труб с ЧЗО и с пористой поверхностью теплообмена. Везде можно отметить большую относительную интенсификацию при малых плотностях теплового потока q = 1 000... 3 000 Вт/м2, что наиболее характерно для испарителей.

С ростом давления интенсивность теплообмена растет, что связано с активизацией большего числа центров парообразования, причем степень влияния р на а проявляется для различных поверхностей по-разному. Большее влияние отмечено на гладкой поверхности, меньшее -на пористой (рис. 3).

Р, кПа

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от давления при q = 3 кВт/м2

Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что при переводе холодильного оборудования с R12 на смесь Я22/142Ь испарители холодильных машин с гладкими трубами практически сохраняют прежнюю холодопроизводительность, для интенсификации процесса в этих теплообменных аппаратах рекомендуется использовать теплообменные трубы с пористым слоем или частично замкнутым объемом. Использование таких труб позволит уменьшить металлоемкость и габариты испарителей.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении смеси Я22/142Ь в испарителях с различной поверхностью теплообмена по результатам исследования получаем расчетные формулы:

- для гладкой поверхности: а = 2,28 • д0,7 • р0,34 ;

- для стандартного оребрения: а = 7,07 • д0,62 • р019;

- для труб с ЧЗО;

- для труб с пористым слоем: а = 51,06 • д0,42 • р0,1, где д = Вт/м2, Р = МПа.

Полученные зависимости отражают различное влияние плотности теплового потока

и давления на теплообмен при использовании различных труб.

Данные зависимости описывают экспериментальные данные с точностью ±20 %.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Григорьев В. А., Павлов Ю. М., Аметистов Е. В. Кипение криогенных жидкостей. - М.: Энергия, 1987. - 288 с.

2. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. - Новосибирск: Наука, 1970. - 658 с.

3. Кравченко В. А., Розкин С. М., Островский Н. Ю. Установки для исследования тепло- и массообмена в гетерогенный системах. - Киев: Наук. думка, 1986. - 125 с.

4. Кузьмин А. Ю., Букин В. Г., Васильев В. Я. Экспериментальное исследование теплоотдачи при кипении R407с в большом объеме // Низкотемпературные и пищевые технологии XXI века: Сб. тр. II Междунар. науч.-техн. конф. к 300 летию Санкт-Петербурга. - СПб., 2003. - Т. 2. - С. 232-235.

Статья поступила в редакцию 11.02.2008

THE RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCHES OF HEAT EMISSION INTENSIFICATION FOR BOILING OF COMPOUND REFRIGERANTS

V. G. Bukin, Said Akhmed al Said, Akhmed al Refau Mokhamad Emam

Heat-exchange intensification appears to be an urgent problem especially for boiling of compound refrigerants, which has insufficient heat emission intensity. The usage of pipes with standard finning, with partially isolated volume and with porous heat-exchange surface should let this problem be solved. The rise of heat emission coefficient on such pipes comparatively to plain tubes is 2, 3 and 4 times as much respectively. Presented graphical relations a = d(q), a = d(p), a/aR12 = d(q) and empirical formulas, derived by results of the work, may be used during the evaporator design process of refrigerating machines, which operate on compound refrigerants.

Key words: heat exchange, intensification, mixed refrigerant.