CC BY
60
УДК 621.564
А. В. Ежов, В. Г. Букин, А. Ю. Кузьмин
ВЛИЯНИЕ МАСЛА НА РЕЖИМЫ ДВИЖЕНИЯ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА КИПЯЩЕГО СМЕСЕВОГО ХЛАДАГЕНТА
ВНУТРИ ТРУБЫ
В Астраханском государственном техническом университете на кафедре холодильных машин проводятся исследования смесевых холодильных агентов, призванных заменять в холодильных установках рабочие вещества, запрещенные, опасные для окружающей среды. В рамках этих исследований проводился эксперимент по выявлению влияния масла на режимы движения двухфазного потока кипящего смесевого хладагента внутри трубы.
Эксперимент проводился при условиях, характерных для работы испарителей с внутритруб-ным кипением: массовая скорость юр поддерживалась от 25 до 250 кг/(с ■ м ); плотность теплового потока q, отнесенная к внутренней поверхности трубы, изменялась от 1 000 до 10 000 Вт/м2; давление кипения Р0 - от 0,12 до 0,32 МПа; концентрация масла ХФ-12-16 на входе в экспериментальную трубу была выбрана на основе предварительно изученных данных работы реального оборудования и показателей нормативного уноса масла из компрессора.
В целом, на основании визуальных наблюдений за двухфазным потоком смеси хладагента с маслом, был сделан вывод, что наблюдаемые режимы течения (снарядный, волновой, расслоенный, переходный и кольцевой), тождественны режимам течения чистого холодильного агента, но отличаются наличием масляной пены. Пена представляет собой группу пузырьков, отделенных друг от друга тонкими пленками жидкости. Пена образуется, когда пузырьки газа, всплывающие к поверхности жидкости, не коалесцируют и не переходят в паровую фазу. Образование пены, следовательно, заключается в формировании, подъеме и скоплении паровых пузырей.
Сила тяжести стремится отделить газ от жидкости в дисперсной системе, принуждая пузырьки подниматься к поверхности жидкости и заполнять паровые объемы вдоль верхней образующей трубы. Сила поверхностного натяжения жидкости препятствует стеканию пленки [1].
При добавлении масла до 0,4 % на входе в трубу никаких видимых изменений в структуре движения потока не наблюдалось.
С увеличением концентрации масла были отмечены отдельные скопления фреономасляной пены на поверхности раздела фаз, причем количество пены росло с увеличением концентрации масла внутри трубы.
При увеличении концентрации масла на входе в трубу его влияние на гидродинамику и теплоотдачу проявляется сильнее, т. к. концентрация масла по длине трубы увеличивается в зависимости от массовой скорости и удельного теплового потока и при определенном их сочетании может достигать значительной величины. При сочетании больших тепловых потоков ^ = 7-10 кВт/м ) и малых расходов (юр = 25-80 кг/(с ■ м )) бывают случаи, когда жидкость по длине трубы почти полностью выкипает, а на выходе из экспериментального участка наблюдается течение смеси с большей концентрацией масла.
Снарядный режим характеризуется присутствием паровых объемов, длина которых меньше или равна длине жидкостного промежутка. Величина парового объема и скорость его движения по длине трубы увеличиваются. Паровая фаза размещается вблизи верхней образующей трубы. Как и при кипении чистых хладагентов, этот режим наблюдается при малой плотности теплового потока, при всех исследуемых расходах жидкости и концентрациях масла на входе в трубу; фреономасляная пена наблюдается внутри паровых объемов [2-4] (рис. 1). Следует также отметить, что наполняемость снаряда фреономасляной пеной растет с увеличением концентрации масла.
Помимо этого была замечена зависимость устойчивости масляной пены от температуры кипения. Так, при высоких температурах вязкость масла снижается, и масляная пена располагается в нижней части парового снаряда, оголяя тем самым верхнюю образующую. При низких же температурах повышенная вязкость масла позволяет пене удерживаться на верхней образующей трубы даже при низких концентрациях масла.
Рис. 1. Снарядный режим с масляной пеной
Наличие масляной пены затягивает переход от снарядного режима течения к волновому, развитый волновой режим наблюдается при более высоком паросодержании. Если при кипении чистого хладагента этот переход осуществляется при истинном объемном паросодержании порядка 0,38, то при наличии масляной пены он наблюдался только при ф более 0,4. Следует отметить, что чем больше концентрация масла, тем больше смещается граница перехода. Тот факт, что с точки зрения теплоотдачи снарядный режим течения является более выгодным, чем волновой, позволяет сделать вывод: наличие масла в потоке хладагента положительно сказывается на величине общего коэффициента теплоотдачи в трубе.
При росте плотности теплового потока паровые объемы с пеной растут и удлиняются вдоль верхней образующей трубы. Жидкостные перемычки, разделяющие эти объемы, уменьшаются, затем они преобразуются в гребни волн, которые касаются верхней образующей трубы. При наличии масла фреономасляная пена чаще омывает верхнюю образующую трубы, и, значит, площадь контакта жидкости с теплоотдающей поверхностью (рис. 2) увеличивается [2, 5].
Рис. 2. Волновой режим с масляной пеной
При волновом режиме течения в трубе с маслом наблюдалось уменьшение просвета между гребнями волн по сравнению с аналогичным режимом течения чистого хладагента, что обусловлено наличием масляной пены. Очевидно, что чем выше концентрация масла, тем больше пены и тем меньше это расстояние. Сокращение размеров паровых объемов между гребнями приводит к адекватному уменьшению промежутков времени, когда наблюдается осушение верхней образующей труб, что способствует выравниванию температурного поля по сечению.
Этот режим наблюдается при всех исследуемых массовых расходах смеси, как правило, при плотности теплового потока 2 кВт/м2. Следует отметить, что при увеличении юр гребни становятся более частыми. Как и в случае снарядного режима, при увеличении концентрации масла усиливается интенсивность пенообразования и увеличивается количество пены, в некоторых случаях пена постоянно контактирует с верхней образующей трубы.
При малых массовых расходах и увеличении нагрузки до 3,5 кВт/м2 отмечается, что волновой режим с пеной полностью переходит в расслоенный с пеной (рис. 3), при котором жидкость непосредственно не соприкасается с верхней образующей трубы. Здесь наблюдается раздельное течение жидкости, пены и пара. В отличие от течения чистого хладагента, у которого этот режим самый плохой с точки зрения теплообмена, при наличии масла значительно уменьшается эффект, называемый «запариванием» верхней образующей трубы. При больших тепловых нагрузках, больших расходах и концентрациях масла на входе порядка 2-4 % получались режимы течения, при которых масляная пена постоянно контактировала с верхней образующей трубы.
Рис. 3. Расслоенный режим с масляной пеной
Нужно отметить, что пена движется с большей скоростью, чем основной поток жидкости. Если учесть, что в общем случае расслоенный режим течения является наиболее характерным для холодильной техники и худшим с точки зрения теплообмена, то можно предположить, что наличие масла в хладагенте позитивно скажется на теплоотдаче в целом.
С дальнейшим увеличением теплового потока наблюдается серповидный режим течения, сменяющийся при возрастании скорости пара кольцевым. При больших скоростях масляная пена менее стабильна, и в этих режимах визуально определяется лишь дополнительное перемешивание жидкости в пристенных к трубе слоях (рис. 4).
Рис. 4. Кольцевой режим с масляной пеной
В картине кольцевого режима течения существенных изменений от присутствия в потоке масла визуально замечено не было.
Выводы
Визуальные наблюдения за структурой движения фреономасляной смеси позволяют отметить следующеее:
- наблюдаемые режимы течения тождественны режимам течения чистого холодильного агента;
- фреономасляная пена существенно увеличивает смоченную долю поверхности трубы, что должно привести к увеличению коэффициента теплоотдачи;
- при равных условиях лучшая смачиваемость стенок трубы жидким холодильным агентом наблюдается при более низких температурах кипения. Это означает, что при низких температурах кипения, когда интенсивность теплообмена уменьшается, больше холодильного агента подводится к верхней образующей трубы; сила поверхностного натяжения с понижением температуры также повышается, что обусловливает лучшее удержание фреономасляной пленки на поверхности трубы. Все это способствует росту доли смоченной поверхности и, как следствие, повышению коэффициента теплоотдачи.
Последний вывод особенно важен потому, что при низких температурах кипения интенсивность теплообмена уменьшается, и зачастую для ее повышения необходима дополнительная интенсификация процесса.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Богатых С. А. Циклонно-пенные аппараты. - Л.: Машиностроение, 1978. - 224 с.
2. Ежов А. В., Букин В. Г., Кузьмин А. Ю. Влияние масла на теплоотдачу при кипении галогенозаменяющих углеводородных смесей // Вестн. Атырауского ин-та нефти и газа. - 2004. - № 5. - С. 152-159.
3. Малышев А. А., Данилова Г. Н., Азарсков Б. Б. Методика расчета средних коэффициентов теплопередачи при кипении фреонов внутри горизонтальных труб // Холодильная техника. - 1983. - № 11. - С. 35-38.
4. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Минеев Ю. В. Обобщение экспериментальных данных по гидродинамике и теплообмену при внутритрубном движении двухфазного потока в трубах // Материалы нац. конф. по теплоэнергетике - «НКТЭ-2006». - Казань, 2006. - С. 172-175.
5. Данилова Г. Н., Букин В. Г., Шуршев В. Ф. Теплоотдача при кипении неазеотропных смесей холодильных агентов внутри горизонтальной трубы // Тр. Второй Рос. нац. конф. по теплообмену. - Т. 4. Кипение, кризисы кипения, закризисный теплообмен. Испарение, конденсация. - М.: Изд-во МЭИ, 1998. - С. 122-128.
Статья поступила в редакцию 1.02.2008
INFLUENCE OF OIL ON MODES OF MOVEMENT OF THE BOILING MIXTURING REFRIGERANT DIPHASIC STREAM IN THE PIPE
A. V. Ezhov, V. G. Bukin, A. Yu. Kuzmin
Visual observations over the structure of the Freon-oil mixture movement allow to draw the following conclusions: the observable modes of the stream are identical to the stream of the pure refrigerating agent; Freon-oil foam essentially increases the moistened part of the pipe surface that should lead to the heat-transfer coefficient increase; under equal conditions the best wettability of the pipe walls with the liquid refrigerating agent was observed at lower boiling temperatures. It means, that at low boiling temperatures when the intensity of heat exchange decreases more refrigerating agent is brought to the top element of the pipe and the strength of the superficial tension also raises, that promotes the best Freon-oil films deduction on the pipe surface. All these points promote the growth of the moistened surface part, and, as consequence, to the heat-transfer coefficient increase.
Key words: heat exchange, boiling inside the pipe, mixed refrigerating agents, oil, flow regime.
