Двухфазные течения имеют место в различных отраслях промышленности: в парогенераторах и конденсаторах ядерных энергоустановок, тепловых электростанций, холодильной и криогенной технике, химической, пищевой, фармацевтической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Основной целью исследования двухфазного потока является определение режима (структуры) течения, а также динамических параметров каждой из фаз, что является наиболее важным для точного расчета гидравлического сопротивления и теплоотдачи при кипении и конденсации.
Однако выявление точных границ режимов двухфазных течений в реальных условиях кипения или конденсации является трудной задачей, поэтому подобные исследования часто проводят на адиабатных газожидкостных (обычно воздушно-водяных) смесях [1]. Однако результаты, полученные при таких исследованиях, носят в основном качественный характер.
В связи с этим для исследования картин и границ двухфазных течений, а также теплогидравлических характеристик при кипении хладагентов спроектирован и создан экспериментальный стенд, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментального стенда:
1 — компрессор; 2 – реле давления сдвоенное; 3 , 19 ,29 – обратный клапан; 4 – манометр; 5 – конденсатор воздушный; 6 – реле давления высокое; 7, 26 – ресивер; 8 – фильтр осушитель;
9, 10, 11, 12, 14, 16, 22, 24, 28, 31, 33, 38 – запорные вентиля; 10, 13 – терморегулирующий вентиль; 15 – соленоидный вентиль; 17 – камера охлаждения; 18, 27, 30 – смотровые окна; 20 – датчик расхода; 21, 24 – датчик давления; 23 – рабочий участок; 25 – предохранительный клапан; 32 – испаритель; 34 – фильтр отделитель; 35 – фильтр на всасывание; 36 – термостат; 37 – зарядная батарея; 39 – установка сбора хладагента
Перегретый газ (хладагент) под давлением из компрессора 1 направляется в воздушный конденсатор 5, где конденсируется и переходит в жидкое состояние. Реле высокого давления 6 регулирует и поддерживает постоянное давление хладагента на выходе из конденсатора. После конденсатора жидкий хладагент поступает в ресивер 7, где часть хладагента испаряется и создает газовую «подушку» для сглаживания пульсаций от работы компрессора. После ресивера хладагент проходит через фильтр-осушитель 8, затем через соленоидный вентиль 15, и через разветвленную магистраль часть хладагента проходит через терморегулирующие вентили (ТРВ) 10 или 13 (в зависимости от выбора хладагента: ТРВ 10 – для хладагента R134а, ТРВ 13 – для хладагента R507a), служащие для регулирования температуры сухого пара после испарителя 32 перед компрессором 1. Другая часть хладагента направляется по трубопроводу с Ду=10 мм в тестовую секцию. Запорные вентили 16 и 28 предназначены для регулирования расхода хладагента через рабочий участок 23, при входе в тестовую секцию хладагент направляется при необходимости конденсации через водяной конденсатор 17.
На выходе из конденсатора 17 находится контрольное смотровое окно 18. После конденсатора хладагент проходит через обратный клапан 19. Расход хладагента регистрируется ролико-лопастным расходомером 20. После датчика расхода организован участок стабилизации потока, длина которого L=50d. На входе и на выходе рабочего участка фиксируется давление датчиками 21 и 24. Температура наружной стенки рабочего участка измеряется хромель-копелевыми термопарами в 8 сечениях по две в каждом сечении. Обработка сигналов с первичных датчиков осуществляется при помощи измерительного комплекса National Instruments, отображение и запись данных в файл организованно в среде LabVIEW.
Основные технические характеристики стенда: расход теплоносителя до 240 кг/час, рабочее давление до 1,8 МПа. Использование в качестве рабочих тел хладагентов R134a и R507a позволяет получить данные о режимах течения, имитирующих пароводяные течения при высоких давлениях (P=6,86…13,72 МПа).
Подвод теплоты к рабочему участку, изготовленному из нержавеющей стали, осуществляется электроконтактным (омическим) способом. Для нагрева рабочего участка подводится переменный ток с максимальной мощностью 14 кВт. Для получения потока в виде сухого пара на входе в компрессор 1 после рабочего участка 23 теплоноситель, имеющий определенное паросодержание, поступает в испаритель 32 (подводимая мощность испарителя выбирается из учета мощности подаваемой на рабочий участок, суммарная мощность, подаваемая на испаритель и рабочий участок равна 14 кВт), где поток либо докипает, либо напрямую направляется в компрессор. Температура потока на выходе из испарителя контролируется термостатом 38. При смене рабочего участка воздух, попадающий в контур, откачивается с помощью установки сбора хладагента 39. Установка сбора хладагента 39 также используется при замене хладагента.
Внутренний диаметр канала d=10 мм. На выходе из обогреваемой части канала длиной 500 мм установлен прозрачный необогревамый участок из кварцевого стекла длиной 150 мм для наблюдения за режимом течения. Для закрутки потока в трубу устанавливались скрученные ленты с различными относительными шагами закрутки s/d=2.5, 4 и 6 (рисунок 2).
На созданном стенде выполнено визуальное исследование структуры течений при кипении хладагента R134a в трубах со вставленной скрученной лентой. При этом прозрачный участок визуализации располагался непосредственно за рабочим каналом обогреваемым электроконтактным методом. Также как и в аналогичной работе [3] наблюдались расслоенный, волновой, и пробковый режимы, а также не отмеченные в работе [3] эмульсионный, пузырьковый, кольцевой и шнуровидный режимы (рисунок 3).
Рисунок 3. Фотографии структуры парожидкостного течения при кипении хладагента R134a в трубе со скрученной лентой при p=0,55 МПа:
а) расслоенный режим; б) эмульсионный режим; в) кольцевой режим при относительно малой скорости смеси с высокоамплитудными волнами на поверхности; г) кольцевой режим при относительно высокой скорости смеси; д) пузырьковый режим при относительно высокой скорости смеси; е) шнуровидный режим
Шнуровидный режим наблюдается при высоком паросодержании: при этом вся жидкость движется в виде отдельного «шнура» на ленте. Ранее такой режим течения наблюдался только при адиабатных (водовоздушных) течениях [4-6]. Таким образом, в данной работе визуально подтверждено наличие шнуровидного течения жидкости на оси скрученной ленты и в условиях теплообмена. В случае кипения данный эффект может приводить к удлинению длины канала, необходимой для полного испарения жидкости и возникновению более раннего кризиса теплообмена, т.к. жидкостный шнур не имеет непосредственного контакта с теплообменной поверхностью трубы.
Рисунок 4. Зависимость теплоотдачи от паросодержания при кипении в трубе со скрученной лентой (s/d=4)
Анализ данных по теплоотдаче при кипении фреона R134a показал, что зависимость теплоотдачи (числа Нуссельта Nu) при кипении от расчетного паросодержания Х имеет неоднозначный вид (рисунок 4). Это связано с развитием пузырькового и переходного режимов кипения. С увеличение Х более 0,3 теплоотдача начинает уменьшаться, что связано с увеличением количества пара у поверхности.
Влияние числа Рейнольдса на теплоотдачу при кипении показано на рисунке 5: очевидно, что с ростом числа Re теплоотдача увеличивается, что связано с увеличением конвективной составляющей теплообмена.
На рисунке 6 показана зависимость относительных данных по теплоотдаче при кипении различных фреонов в трубах со скрученной лентой от параметра закрутки Sw.
На рисунке 7 представлена зависимость относительных данных по теплоотдаче при кипении фреонов в трубах со ставленой скрученной лентой от параметра кипения Во с учетом выявленной степени влияния параметра Sw.
Полученная обобщающая зависимость описывает 85% экспериментальных точек с максимальным отклонением ±20%, 92% точек – с максимальным отклонением ±25% и 96% точек – с максимальным отклонением ±30%.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №14-08-31178-мол_а).
Список литературы
- Шишкин А.В., Тарасевич С.Э., Яковлев А.Б. Обзор карт режимов двухфазных течений в каналах различной формы // Труды XIX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, 2013, с. 245-248.
- Manglik R. M., Bergles A. E. Swirl Flow Heat Transfer and Pressure Drop with Twisted-Tape Inserts / Advances in Heat Transfer, 2002, vol. 36, pp. 183-266.
- Kanizawa, F.T., Ribatski G. Two-phase flow patterns and pressure drop inside horizontal tubes containing twisted-tape inserts // Int. J. Multi-phaze Flow, 2012, Vol.47, P. 50-65.
- Тарасевич С.Э., Яковлев А.Б., Гиниятуллин А.А., Шишкин А.В. Особенности тепломассообмена в трубах с различными закручивающими ленточными вставками // Тепловые процессы в технике, 2011, Т.3, №3, с.133-139.
- Tarasevich S.E., Yakovlev A.B., Giniatullin A.A., Shishkin A.V. Heat And Mass Transfer In Tubes With Various Twisted Tape Inserts // Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, IMECE2011, 2011, Denver, Colorado, USA. Paper IMECE2011-62088, 6 p.
- Yakovlev A.B., Tarasevich S.E., Shishkin A.V. Structure of two-phase swirl flow in various channels // Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, IHTC-15, Kyoto, Japan, 2014, Paper IHTC15-8927, 10 p.[schema type=»book» name=»КИПЕНИЕ ХЛАДАГЕНТA R134A В ТРУБАХ СО ВСТАВЛЕННОЙ СКРУЧЕННОЙ ЛЕНТОЙ » author=»Шишкин Андрей Владимирович, Яковлев Анатолий Борисович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-19″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]