Экспериментальное исследование теплообмена при кипении смеси R22/R142b в испарителе холодильной машины.

Авторы:
К.т.н. В.Г. Букин, В.Ф. Шуршев, Астраханский государственный технический университет.
Д-р техн. наук, проф. Г.Н. Данилова, Санкт-Петербургская государственная академия холода и пищевых технологий. Источник:
Журнал «Холодильная техника».

Как известно, парк холодильного оборудования, работающего на озоноопасном хладагенте R12, огромен например компрессоры 1П10,ФВ6 ,1ПБ10,1П20, ФУ12 и заменить его в короткие сроки на новую озонобезопасную технику практически невозможно. Более реалистичным решением этой проблемы сегодня является, на наш взгляд, перевод холодильного оборудования на смесь хладагентов, имеющую свойства, близкие к свойствам R12, компоненты, которой выпускаются отечественной промышленностью в достаточных объемах и имеют малую степень озоноактивности. По мнению как российских [1], так и зарубежных исследователей [З], таким хладагентом может стать смесь R22/R142b, каждый из компонентов которой широко применяется в холодильной технике. Степень озоноактивности этих веществ составляет около 0,05 против 1,0 для R12 [1]. Закономерности теплообмена при кипении смеси R22/R142Ь недостаточно изучены.

В статье представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи при кипении смеси R22/R142b в большом объеме на гладкой одиночной медной трубе наружным диаметром 17,3 и длиной 300 мм. В опытах температура насыщения смеси th устанавливалась –20, –15, –10, 0, +10°С, плотность теплового потока изменялась от 1 до 15 кВт/м2, массовая концентрация R22 в жидкости от 0 до 1 кг/кг.

Проведенные предварительные исследования теплоотдачи чистых компонентов R22 и R142Ь показали удовлетворительную сходимость результатов с данными, представленными в работе [2], что свидетельствует о правильности выбранной методики.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунках.


Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, в частности от плотности теплового потока, давления насыщения, концентрации смеси.

Как видно из рисунков, изменение коэффициента теплоотдачи a в зависимости от концентрации смеси x не подчиняется закону аддитивности. При увеличении концентрации R22 в жидкости от 0 до 0,3 кг/кг коэффициент теплоотдачи вначале снижается, а затем, в области от 0,4 до 1,0 кг/кг, повышается. В сопоставимых условиях минимальное значение коэффициента теплоотдачи смеси меньше значения коэффициента теплоотдачи для чистого R142Ь. Это можно объяснить следующим.

При пузырьковом кипении смесей преимущественно выкипает низкокипящий компонент R22, в пристенном слое увеличивается доля высококипящего компонента R142b, вследствие чего повышается температура насыщения этого слоя, снижается истинный перегрев жидкости, уменьшается число действующих центров парообразования, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Кроме того, наличие диффузионных сопротивлений вследствие разных концентраций R22 в паровых пузырьках, жидкости в пограничном слое и объеме жидкости, также ведет к снижению интенсивности теплоотдачи, так как теплота расходуется еще и на перенос низкокипящего компонента из объема жидкости к пузырькам.

Как подтвердили проведенные хромотографические исследования, при наибольшей разности концентраций Dx хладагента R22 в паре и жидкости значение коэффициента теплоотдачи минимальное.

Как видно из рис. 2, при всех температурах насыщения максимальное значение Dx соответствует концентрации в жидкости низкокипящего компонента R22 0,35 кг/кг, когда максимально проявляются негативные вышеназванные факторы.

Результаты экспериментального исследования зависимости коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока, представленные на рис. 3, показывают повышение a с ростом q. Это связано с тем, что, как и при кипении чистых компонентов, с увеличением тепловой нагрузки растет число действующих центров парообразования. Степень влияния плотности теплового потока на коэффициент теплоотдачи характеризуется показателем n, значения которого изменяются от 0,75 (при кипении чистых компонентов) до 0,65 (при x = 0,35 кг/кг).

Анализ зависимости коэффициента теплоотдачи от давления насыщения (рис. 4) говорит о том, что интенсивность теплообмена непрерывно увеличивается при повышении давления насыщения, так как улучшаются условия зарождения и роста парового пузырька на поверхности нагрева с уменьшением критического радиуса парового зародыша и, соответственно, с увеличением числа действующих центров парообразования. Степень влияния давления насыщения на коэффициент теплоотдачи характеризуется показателем т, значение которого зависит от плотности теплового потока и концентрации.

Из рисунка видно, что a смеси R22/R142Ь при концентрации R22 в жидкости примерно 0,7…0,8 кг/кг равен коэффициенту те теплоотдачи и R 12.

Предложено уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи при развитом кипении смеси R22/R142b в большом объеме, основанное на аддитивном значении коэффициента теплоотдачи, в которое дополнительно введен безразмерный комплекс , учитывающий отклонение коэффициента теплоотдачи смеси от аддитивного значения:

a = aад·Кк, (1) где aадa22xa142(1–x),
a22 — коэффициент теплоотдачи при кипении R22,
a142 — коэффициент теплоотдачи при кипении R142b.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что значение комплекса Кк зависит от многих величин, в частности, от разности равновесных концентраций пара и жидкости Dx, концентрации R22 в жидкости x, давления насыщения и других параметров.

Для комплекса Kk получена формула:

Kk = 1/(1 + А·Dx·c·x·d), (2) где А, с, d — коэффициенты, определяемые опытным путем. При обработке на ЭВМ экспериментальных данных получены значения коэффициентов:
А = 1,7,
с = 0,87,
d= 0,4.

Для применения формулы (2) нужно знать значение Dx, поэтому путем обработки на ЭВМ результатов хромотографических исследований было предложено уравнение, описывающее Dx в зависимости от концентрации R22 в жидкости и температуры насыщения:

Dx = 6Т – 0,31·0,75·(1-x·0,85), (3) где Т — температура насыщения смеси, К.

С учетом (3) после соответствующих преобразований формула (1)примет вид:

a = [a22·xa142(1 – x)]/[1+8,08T – 0,27x1,05(1 – x0,85)·0,87] (5)

Коэффициенты теплоотдачи при кипении чистых компонентов в формулах (2) и (5) рассчитывают по уравнениям, предложенным в работе [2].

Формула (5) обобщает 97 % экспериментальных данных, полученных в области развитого кипения в диапазоне изменения режимных параметров, указанных выше, с относительной погрешностью +15 %.

Выполненные исследования позволяют сделать вывод о практической значимости смеси К22/К142b как хладагента, альтернативного озоноопасному R12, и возможности использования данной смеси в испарителях холодильных машин и тепловых насосов.

Список литературы

  1. Быков А.В., Калнинь И.М., Сапронов В.И. Альтернативные холодильные агенты // Холодильная техника, 1989, № 3.2.
  2. Данилова Г.Н. Влияние давления и температуры насыщения на теплообмен при кипении фреонов // Холодильная техника, 1965, № 2.