Więcej... - Wydział Mechaniczny

WRZENIE W PRZEPŁYWIE MIESZANIN CZYNNIKÓW
CHŁODNICZYCH R22 i R407C Z OLEJEM W RURCE
Z POWŁOKĄ POROWATĄ
Janusz T. Cieśliński, Bartosz Dawidowicz
Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, ul. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk
1. Wstęp
4. Metodyka badań i opracowanie danych eksperymentalnych
W ostatnich latach wiele wysiłków skierowano na poszukiwanie możliwości
konstruowania wymienników ciepła o bardziej zwartej budowie, dzięki
wykorzystaniu powierzchni intensyfikujących wymianę ciepła podczas wrzenia w
przepływie. Dotyczy to szczególnie parowników stosowanych w przemyśle
chemicznym i technice chłodniczej. Powierzchnie te mogą przybierać różne formy,
począwszy od prostych żeber i wkładek, po bardziej skomplikowane geometrie, jak
na przykład powierzchnie z pokryciem porowatym. Rozwinięcie wewnętrznej
powierzchni rurki powoduje jednak znaczny wzrost oporów przepływu, a co za
tym idzie kosztów eksploatacji. W związku z tym istnieje potrzeba określenia
wpływu powłoki porowatej na wartość współczynnika przejmowania ciepła, a
także oporów przepływu przy wrzeniu czystych jak i zaolejonych czynników
chłodniczych.
W urządzeniach chłodniczych pewna ilość oleju przedostaje się ze sprężarki
do obiegu chłodniczego, gdzie mieszanina olejowo-chłodnicza cyrkuluje w obiegu.
Obecność oleju we wrzącym czynniku chłodniczym wpływa na współczynnik
przejmowania ciepła oraz spadek ciśnienia. Niewielka ilość oleju w układzie może
intensyfikować współczynnik przejmowania ciepła poprzez odpowiednie
spienianie i lepsze zwilżanie ścianki. Dla wyższych udziałów masowych oleju w
czynniku chłodniczym powyżej kilku procent współczynnik perzejmowania ciepła
spada, natomiast spadek ciśnienia rośnie.
Podczas badań stopień suchości na wlocie ustalono na 0, a na wylocie
0,7. Średnia temperatura parowania wynosiła około 0°C. Gęstość strumienia masy
badanego płynu zmieniała się od 200 do 650 kg/m2s. Strumień ciepła przejmowany
przez wrzący czynnik w odcinku pomiarowym obliczany był z bilansu cieplnego
od strony płaszcza wodnego (wody grzejnej). Średnią temperaturę nasycenia
badanego płynu określa się na podstawie średniego ciśnienia w odcinku
pomiarowym, wyznaczonego jako średnia arytmetyczna z wartości ciśnienia na
wlocie i wylocie. Średnia arytmetyczna wskazań sześciu termopar wzdłuż odcinka
pomiarowego jest przyjmowana jako średnia temperatura zewnętrznej powierzchni
rurki (rys. 2).
Pomiary przeprowadzono dla dwóch rodzajów warunków termicznych:
•
stałej temperatury zewnętrznej powierzchni rurki, niezależnie od
gęstości strumienia masy czynnika,
•
stałej, ale zależnej od gęstości strumienia masy wrzącego czynnika,
temperatury powierzchni rurki.
5.
Wyniki badań
9
22
8
CT CC
ZB
S2
3
2
Z
M
G
AT
~
~
WM
AT
MCzR
PC
[kW/m K]
α [kW/m2K]
2
2F,śr
F
300
400
500
600
Rys. 4. Spadek ciśnienia dla R22
1
odpływ
wody
2
4
0%
1%
5%
11
6
1
250
1
350
450
550
250
350
450
2
G [kg/m s]
Rys. 6. Spadek ciśnienia w rurce dla
R407C
R22
8
3
5
6
4
550
2
G [kg/m s]
Rys. 5. Współczynnik przejmowania ciepła
dla R407C
2
α 2F,śr
[kW/m
K]2K]
[kW/m
7
5
3
0%
1%
5%
16
6
2
3. Odcinek testowy
5
2
200
600
7
Rys. 1. Schemat stanowiska: 1 - obieg badawczy, 2 - obieg grzewczy, 3 - obieg
pomocniczy chłodzący; P - pompa, F - filtr, Z - zbiornik cieczy, OL - zawór
olejowy, MASS, MAG - przepływomierz, ZR - zawór regulacyjny, ZB - zawór
bezpieczeństwa, WS - wężownica skraplacza, WP - wężownica parownika,
ZG - zbiornik glikolu, M - mieszadło, G - grzejnik elektryczny, SPR - sprężarka, ZZ
- zawór zwrotny, SKR - skraplacz, ZW - zawór wodny, W- wziernik,
TZR - termostatyczny zawór rozprężny, N - naczynie zbiorcze D - dochładzacz, CC
- przetwornik ciśnienia, CT - czujnik temperatury, PC - komputer,
WM – watomierz, AT - autotransformator, FT - przetwornik częstotliwości
4
500
8
PC
MASS
SPR
TZR
8
400
Rys. 3. Współczynnik przejmowania ciepła
dla R22
RS232
MAG
P
300
CT
P
OL
FT
7
G [kg/m2s]
WM
1
Z
D
5%
~
WP
6
5%
1%
12
G [kg/m2s]
CC
~
3
1
200
ZR
WS
1%
2
GRZEJNIK WSTĘPNY
~
ZR
ZG
4
ZR
G
TZR
0%
∆PP [kPa]
[kPa]
ZZ
W
ODCINEK POMIAROWY
CT
ZW
F
S1
ZR
5
2 2
α2F,śr
[kW/m
K] K]
[kW/m
SKR
2F,śr
CT
CC CT
0%
17
6
∆PP [kPa]
N
2
α [kW/m
K]2K]
[kW/m
2. Schemat stanowiska
7
R22
R134a
R134a
R407C
3
R407C
2
250
350
450
550
650
2
G [kg/m s]
Rys. 7. Współczynnik przejmowania ciepła
dla masowego udziału oleju - 1%
1
250
350
450
550
650
2
G [kg/m s]
Rys. 7. Współczynnik przejmowania ciepła
dla masowego udziału oleju - 5%
KIERUNEK PRZEPŁYWU
6. Podsumowanie
dopływ
wody
Rys. 2. Schemat sekcji pomiarowej: 1- odcinek badawczy, 2- odcinek podłączenia
czujników, 3- wziernik, 4- przetwornik ciśnienia, 5- termoparat, 6- kołnierz
przyłączeniowy, 7- termopary, 8 – czujnik stopnia zapełnienia
Tab. 1. Charakterystyka badanych rurek
śr.
śr.
Rurka
zew.
wew.
Materiał
Uwagi
gładka
10 mm
8,8 mm
316 L
Bez szwu
z powłoką
porowata
10 mm
8,5 mm
316 L
Al
δ = 55 µm
ε = 18 %
a
= 1,45 µm
•
•
•
Przy masowym udziale oleju równym 1% dla czynnika R22 zaobserwowano
niewielki wzrost współczynnika przejmowania ciepła oraz nieznaczne
zwiększenie oporów przepływu w porównaniu z czystym czynnikiem.
Przy masowym udziale środka smarnego równym 5% dla wysokiej gęstości
strumienia masy zaobserwowano wyraźny spadek współczynnika
przejmowania ciepła oraz stwierdzono wystąpienie histerezy, objawiającej się
skokowym spadkiem współczynnika przejmowania ciepła przy wzroście
gęstości strumienia masy i wyraźnym jego wzrostem przy zmiejszaniu
gęstości strumienia masy.
Najwyzszy współczynnik przejmowania ciepła zaobserwowano dla czynnika
R22 przy masowym udziale środka smarnego wynoszącego 1%, natomiast
najniższy współczynnik przejmowania ciepła zarejestrowano dla czynnika
R134a.