CC BY
73
УДК 621.565
ББК 31.392.2: [31.312.6:31.368]
Хо Вьет Хынг
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИСПАРИТЕЛЕЙ С РАЗВИТОЙ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТРУБ В СУДОВЫХ СИСТЕМАХ МИКРОКЛИМАТА
Ho Viet Hyng
PROSPECTIVE APPLICATION OF EVAPORATORS WITH ENHANCED SURFACED TUBES OF MICROCLIMATE SHIP SYSTEMS
Приведены результаты исследования по кипению хладагента R410A с маслом в испарителях судовых холодильных установок. Обоснована актуальность исследований. Описан экспериментальный стенд и методика проведения экспериментов. Представлены результаты экспериментов и результаты сравнения кипения на трубах с развитой поверхностью и на оребренной трубе.
Ключевые слова: интенсификация, судовые холодильные установки, теплоотдача, кипение, хладагент, испаритель.
The results of the investigation of the boiling of refrigerant R410A with oil in evaporators of marine refrigerating installations are given. The research actuality is proved. The experimental apparatus and experimental procedure are described. The experimental results and data of comparison of boiling on tubes with enhanced surfaces and fins tube are presented.
Key words: intensification, marine refrigerating installations, heat transfer, boiling, refrigerant, evaporator.
Постановка задачи
Судовая система микроклимата (ССМ) относится к энергетическим системам жизнеобеспечения, предназначенным для создания условий комфортного обитания экипажа и пассажиров, а также безопасной эксплуатации судовой энергетической установки (СЭУ) и судна в целом.
Расход топлива на ССМ составляет 4...6 % общесудового потребления на пассажирских судах и 2...4 % - на сухогрузных. В ССМ широкое применение получили кожухотрубные испарители затопленного типа, в которых рассол охлаждается при движении внутри труб, а кипение хладагента происходит в межтрубном пространстве. Эффективность работы кожухотрубных испарителей во многом определяет энергетические показатели и надежность холодильной машины и ССМ в целом. Российская промышленность выпускает кожухотрубные испарители типов МИТР, ИКТ, ИТГ и ИТР, с использованием медного оребрения труб. Однако известные кожухотрубные испарители не обеспечивают высоких значений коэффициентов теплоотдачи при кипении на поверхности труб.
В последние годы значительные усилия были затрачены на поиск путей разработки более компактных испарителей для судовых холодильных установок. Производители низкотемпературной техники (климатической техники), такие как Trane, Dunham-Bush, YORK [1-3] выпускают модели чиллеров с кожухотрубными испарителями затопленного типа, в которых кипение холодильного агента происходит на трубах с развитой поверхностью теплообмена. Развитые поверхности теплообмена, как ожидается, инициируют кипение при меньших перепадах температуры и поддерживают его при низких тепловых потоках [4]. Вследствие этого кипение на трубе с развитой поверхностью теплообмена характеризуется большими значениями коэффициента теплоотдачи, чем на гладких и оребренных трубах.
До настоящего времени в холодильных установках рефрижераторных судов, перевозящих мороженое мясо и рыбу, а также в рефрижераторных контейнерах применяется хладагент R22, который должен быть заменен, в соответствии с Монреальским протоколом, на альтернативные. В качестве замены R22 рекомендована смесь R410A. Хладагент класса ГФУ R410A является перспективным хладагентом, который представляет собой смесь в равных массовых долях озонобезопасных хладагентов R32 и R125. Однако данные по теплообмену R410A довольно редки, особенно при кипении на трубе с развитой поверхностью теплообмена. Таким образом, исследование кипения хладагента R410A на трубах с развитой поверхностью теплообмена является актуальным.
Методы исследований
Для изучения вопроса об интенсификации процесса теплоотдачи на трубах с развитой поверхностью теплообмена в кожухотрубных испарителях затопленного типа было проведено исследование на стенде, принципиальная схема которого представлена на рис. 1. Он состоит из двух контуров: основного или экспериментального и вспомогательного.
Экспериментальный контур работает следующим образом. Хладагент Я410Л заправляется через вентиль 7 в экспериментальный парогенератор 1, внутри которого установлены экспериментальные трубы 2. При подаче тепловой нагрузки на трубу 2 жидкий холодильный агент в парогенераторе 1 начинает кипеть. Образующийся пар поступает в кожухозмеевиковый конденсатор-испаритель 3, в трубах кипит холодильный агент Я22 из вспомогательного контура, а в межтрубном пространстве конденсируется исследуемый хладагент Я410Л.
Экспериментальный парогенератор 1 представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд диаметром 273 мм и длиной 450 мм. Для измерения температуры жидкого хладагента 5 термопар установлены на разных уровнях. Для определения температуры пара установлены 3 термопары над поверхностью жидкости.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментально стенда для исследования теплоотдачи при кипении в большом объеме: 1 - парогенератор; 2 - экспериментальные трубки; 3 - конденсатор-испаритель; 4 - светодиоды; 5 - предохранительный клапан; 6 - манометр; 7- заправочный вентиль;
8, 9 - байпасные линии; 10 - компрессор низкого давления ФУС-12; 11 - теплообменник регенеративный;
12 - компрессор высокого давления ФВС-6; 13 - конденсатор; 14 - фильтр-осушитель; 15 - регулирующий вентиль
Материал термопар - медь-констант. В стенку каждой из труб заложено по 3 термопары (по верхней, средней и нижней образующей трубы). Каждый спай и подводящие провода термопары укладываются в канавку. Сверху канавку со спаем и проводами закрывают медной пудрой. В канавке внутри экспериментальных труб 2 находятся электронагреватели, центрированные по оси. Электронагреватель питается от сети переменного тока через автотрансформатор. Вместо смотрового стекла использована веб-камера, предназначенная для визуальных наблюдений за процессом кипения. С помощью веб-камеры следили за интенсивностью процесса при меняющемся тепловом потоке.
При проведении визуальных наблюдений, для лучшего обзора внутри парогенератора, включается светодиод. Для определения избыточного давления внутри парогенератора на его корпус вварен штуцер для присоединения манометра 6.
Вспомогательный контур включает в себя двухступенчатый автоматизированный компрессорно-конденсаторный агрегат АК ФДС-1.2-70. Агрегат состоит из компрессоров низкого 10 и высокого 12 давления, конденсатора 13, регулирующего вентиля 15, приборов автоматики и трубопроводов с арматурой. Агрегат смонтирован на цельносварной металлической раме. Рабочее вещество в холодильной машине вспомогательного контура - И22; назначение - отвод теплоты из экспериментального контура, установление и поддержание требуемой температуры насыщения.
Перед заправкой система вакуумировалась. Затем система заправлялась небольшим количеством хладагента и снова вакуумировалась. При отсутствии утечек в течение 24-часового пе-
риода необходимо заправить парогенератор чистым Я410А на 30 мм выше верхней части трубки. Нагреватель был протестирован на окружную равномерность теплового потока. После эксперимента на чистом холодильном агенте система дозаправляется необходимым количеством масла, чтобы его концентрация в последующих опытах была соответственно равна 2, 5 и 10 %.
Во время проведения экспериментов измерялись следующие параметры: температура поверхности экспериментальных труб, температура жидкости исследуемой смеси Я410Л, давление в экспериментальном парогенераторе, атмосферное давление, мощность электрических нагревателей.
В данном эксперименте изучался процесс пузырькового кипения на оребренной трубе и двух трубах с развитой поверхностью, где ребра образуют частично замкнутый объем (ЧЗО). Использован хладагент Я410Л и синтетическое масло РОЕ В^ег В8Е32 с концентрациями £„ 0, 2, 5 и 10 %. Эксперименты проводились при температуре насыщения -20, -5 и +5 °С, соответственно давление насыщения рн = 400, 677, 931 кПа, плотность теплового потока q изменялась от 1 до 20 кВт/м2.
Эскизы ребер с ЧЗО представлены на рис. 2.
Рис. 2. Эскизы ребер труб с частично замкнутым объемом а - с Г-профилем, б - с У-профилем, і - зазор
Геометрические параметры опытных труб представлены в таблице, где приняты следующие обозначения: а?вн - внутренний диаметр экспериментальной трубы, мм; А?нар - наружный диаметр трубы, мм; ^нар - наружная поверхность трубы, м2; ^вн - внутренняя поверхности трубы, м2; в = ^нар/^вн - коэффициент оребрения; 5 - величина щелевого зазора, мм; кр - высота ребра, мм; 5р - шаг между осями ребер, мм; 5р’ - расстояние между ребрами, мм; - шерохова-
тость поверхности трубы, мкм.
Таблица 1
Г еометрические параметры опытных труб
№ Тип трубы ^нар» ММ Лвн, ММ мм мм мм к,, мм Р Рнар» м м Я1, мкм
1 Стандартная оребренная 21 13,2 2 1,6 - 2,25 3,64 0,0437 0,012 4...5
2 Ребра с Г-профилем 20,5 13,2 2 0,25 2 3,82 0,0458 0,012 4...5
3 Ребра с У-профилем 21 13,2 2 0,25 2,25 4,2 0,0504 0,012 4...5
4 Ребра с Г-профилем 20,5 13,2 2 0,50 2 3,82 0,0458 0,012 4...5
5 Ребра с У-профилем 21 13,2 2 0,50 2,25 4,2 0,0504 0,012 4...5
Трубы с ЧЗО запатентованы [5, 6].
Результаты исследований
Результаты при кипении чистого хладагента Я410Л. Результаты экспериментальных исследований при кипении Я22 на гладкой и оребренной трубе со стандартными ребрами были сопоставлены с данными [7]. Сопоставление дало хорошие результаты, что позволило сделать вывод о правильности разработанной методики эксперимента и о качественной работе контрольно-измерительного комплекса.
Для изучения возможности интенсификации теплообмена при кипении чистого хладагента Я410Л была проведена серия опытов на оребренной трубе и четырех трубах с развитой поверхностью. Результаты этих опытов представлены на рис. 3.
а, Вт/(м2 • К)
4м= 0 %
q, Вт/м2
♦ Труба № 1
I Труба № 2 А Труба № 3
► Труба № 4 ХТруба № 5
Рис. 3. График а = /с[) при кипении на трубах: /0 = - 20 °С, ^м = 0 %, а и q, отнесенной к внутренней поверхности труб
Анализ экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы. Из рис. 3 видно, что коэффициент теплоотдачи при кипении чистого хладагента Я410Л на трубах с ЧЗО выше, чем при кипении на стандартной оребренной трубе. Повышенные значения коэффициента теплоотдачи могут быть обусловлены изменениями гидродинамических условий в ЧЗО. Из рис. 3 можно заметить, что коэффициент теплоотдачи при кипении на трубах с У-профилем лучше, чем при кипении на трубах с Г-профилем (при одинаковом размере зазора). Это связано с тем, что У-профиль увеличивает площадь, занимаемую микрослоем жидкости, отделяющей паровой пузырь от греющей стенки, на большую величину, чем Г-профиль, кроме того, У-профиль имеет больший коэффициент оребрения.
Уменьшение размера зазора от 0,5 до 0,25 мм приводит к некоторому увеличению коэффициента теплоотдачи. Это связано с тем, что уменьшение размера зазора влияет на величину перегрева стенки и тем самым ускоряет переход к режиму пузырькового кипения, что характеризуется повышением теплообмена.
Влияние концентрации масла на коэффициента теплоотдачи при кипении Я410Л на разных поверхностях. Влияние концентрации масла на коэффициент теплоотдачи при кипении хладагента Я410Л показано на рис. 4.
ам/а
В Труба № 1, р = 40
О Труба № 1, р = 67 И Труба № 1, р = 93 И Труба № 3, р = 40 Н Труба № 3, р = 67 И Труба № 3, р = 93
Рис. 4. График ам/а = /(^м) при кипении на трубах № 1 и 3 ^вн = 20 кВт/м2) при разных давлениях
С увеличением концентрации масла производительность оребренной трубы сначала возрастает (при концентрации масла 2 %), а при дальнейшем её росте - падает. Увеличение коэффициента теплоотдачи при кипении на оребренной трубе при низкой концентрации масла может быть связано с процессом вспенивания.
При кипении на трубах с ЧЗО на маслохладоновой смеси (концентрация масла в смеси составляла в среднем 2 %) коэффициент теплоотдачи примерно на 10 % ниже, чем при работе на чистом хладагенте. С ростом концентрации масла ^ интенсивность теплообмена уменьшается. При снижении температуры кипения маслохладоновой смеси степень ухудшения теплообмена по сравнению с чистым хладагентом становится меньше.
Таким образом, наличие масла ухудшает теплообмен при кипении хладагентов на трубах с ЧЗО сильнее, чем на оребренных поверхностях. Отсюда можно сделать следующий вывод: масло аккумулируется в ЧЗО, что затрудняет процесс теплообмена.
Заключение
Результаты эксперимента показывают, что применение в кожухотрубных испарителях судовых систем микроклимата труб с ЧЗО эффективнее, чем оребренных. Это позволит сократить длину теплообменных труб, снизить расход меди, уменьшить габаритные размеры аппаратов, массу кожуха и крышек. Дополнительная экономия может быть получена от уменьшения количества хладагента, необходимого для заправки установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Trane. Air-Cooled Series R™ Rotary Liquid Chiller. Product catalogue 11.2006.
2. Dunham-Bush. Chiller catalog 2012.
3. York. Navy Water Chiller Unit 2012.
4. Кузьмин А. Ю., Букин А. В. Экспериментальные исследования энергоэффективности ретрофита холодильной машины на альтернативные озонобезопасные смесевые холодильные агенты // Юг России, экология, развитие. - 2010. - № 4. - С. 119-120.
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. Nucleate Boiling Performance of R-22, R-123, R-134a, R-410A and R-407C on Smooth and Enhanced Tubes / C. C. Wang, W. Y. Shieh, Y. J. Chang, C. Y. Yang // ASHRAE Transaction. - 1998. - Vol. 104, part. 1, no. SF-98-15-4, pp. 1-7.
REFERENCES
1. Trane. Air-Cooled Series R™ Rotary Liquid Chiller. Product catalogue 11.2006.
2. Dunham-Bush. Chiller catalog 2012.
3. York. Navy Water Chiller Unit 2012.
4. Kuz'min A. Iu., Bukin A. V. Eksperimental'nye issledovaniia energoeffektivnosti retrofita kholodil'noi mashiny na al'ternativnye ozonobezopasnye smesevye kholodil'nye agenty [Experimental researches of power efficiency of retrofit of refrigerating machine on alternative ozone-safe mixed refrigerating agents]. Iug Rossii, ekologiia, razvitie, 2010, no. 4, pp. 119-120.
5. Bukin V. G., Kuz'min A. Iu., Vasil'ev V. N., Biriulin I. V. Isparitel' [Evaporator]. Patent RF, no. 89680, 2009.
6. Bukin V. G., Bukin A. V., Kho V'et Khyng. Teploobmennaia truba [Heat exchange pipe]. Patent RF, no. 123910, 2013.
7. Wang C. C., Shieh W. Y., Chang Y. J., and Yang C. Y. Nucleate Boiling Performance of R-22, R-123, R-134a, R-410A and R-407C on Smooth and Enhanced Tubes. ASHRAE Transaction, 1998, vol. 104, part. 1, no. SF-98-15-4, pp. 1-7.
Статья поступила в редакцию 25.01.2013 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Хо Вьет Хынг - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Холодильные машины»; Hoviethung81@yahoo.com.
Ho Viet Hyng - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Refrigerating
Machine"; Hoviethung81@yahoo.com.
