Изучение особенностей теплообмена и гидравлического сопротивления матричного теплообменника в дроссельной системе при работе на смесевых хладагентах

Матричные теплообменники относятся к новому поколению эффективных и надежных теплообменных аппаратов. Они обладают высокой степенью компактности, а современные технологии позволяют получить высокопрочные матрицы, способные работать в широком интервале давлений и температур.

Данная работа посвящена изучению особенностей работы матричного теплообменника в составе дроссельной системы, исследованиям его характеристик теплопередачи и гидравлических сопротивлений.

Актуальность работы.

Расширение области применения дроссельных регенеративных систем (ДРС) (охлаждение датчиков и ВТСП-устройств, криомедицина, низкотемпературная закалка легированных сталей и т. д.) выдвигает задачи повышения их эффективности.

Работы, начатые в 70-х годах прошлого века В. М. Бродянским и А. К. Грезиным, открыли новый этап в развитии ДРС, связанный с использованием многокомпонентных рабочих тел (МРТ) в качестве хладагента. Было показано, что применение МРТ позволяет значительно улучшить энергетические и массогабаритные характеристики криогенных дроссельных систем, а также заметно снизить их стоимость. МРТ, которые обеспечивают высокую термодинамическую эффективность дроссельных систем, могут состоять из нескольких компонентов, так, например, рабочее тело на азотный температурный уровень может состоять из шести компонентов. Это обстоятельство существенно осложняет расчет всех элементов дроссельной системы и прежде всего рекуперативного теплообменника.

В рекуперативном теплообменнике дроссельной системы на смесевом хладагенте в каналах прямого и обратного потоков происходит конденсация, и кипение компонентов смеси, соответственно.

В настоящее время, отсутствует методика расчёта рекуперативных теплообменников даже для относительно простых и наиболее часто применяющихся в ДРС теплообменников типа «труба в трубе», в которых проходят процессы кипения и конденсации смеси. Это справедливо и в отношении гидравлического сопротивления теплообменников при работе на смесях. Это обстоятельство серьезно осложняет разработку и создание низкотемпературных систем, работающих на МРТ.

Из опыта создания и эксплуатации систем на смесях известно, что одна из главных проблем при использовании МРТ это высокие гидравлические потери в рекуперативном теплообменнике. Решением данной проблемы может быть переход к новому типу компактных теплообменников с низкими гидравлическими сопротивлениями. К таким теплообменникам относятся теплообменники матричного типа (МТ).

Таким образом, изучение особенностей работы МТ в составе ДРС при работе на смесях и разработка инженерных методик расчёта процессов теплопередачи и гидравлического сопротивления является важным и необходимым условием для разработки и совершенствования дроссельных систем. Это обуславливает актуальность данной работы.

Цель и задачи исследования

.

Целью данного исследования является определение возможности и перспективы использования матричных теплообменников в составе ДРС на МРТ. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

— проведение экспериментальных исследований по изучению характеристик теплообмена и гидравлических сопротивлений матричного теплообменника, работающего в составе ДРС на современных хладагентах, как чистых, так и смесевых.

— разработка методики расчёта характеристик теплообмена и гидравлических сопротивлений в МТ, которые позволят проектировать теплообменники с оптимальными параметрами в условиях их работы в составе ДРС.

Научная новизна.

Впервые получены новые экспериментальные данные для коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента теплопередачи МТ в широком диапазоне Яе для различных перспективных хладагентов. В ходе экспериментов было исследовано 10 рабочих тел. Среди них: 5 чистых веществ и 5 смесевых хладагентов.

По результатам обработки экспериментальных данных предложены зависимости коэффициента гидравлического сопротивления (?) и числа Нуссельта (КГи) от числа Рейнольдса. Эти зависимости рекомендуются при выполнении расчетов МТ.

Впервые при исследовании матричного теплообменника при работе на смеси азот — фреон Я125 отмечена особенность достижения фазового равновесия, которая выражается в эндотермической реакции в канале прямого потока, что находит отражение в дополнительном охлаждении потока и понижении его температуры.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные и предложенные зависимости могут быть использованы при проектировании дроссельных систем на современных хладагентах.

Апробация работы. Основные результаты данной работы докладывались на трёх международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2008, 2009,.

2010 г), а так же на научном семинаре кафедры низких температур (МЭИ, 2010 г.).

Публикации.

Материалы по теме диссертационной работы изложены в 8 печатных трудах.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения и списка используемой литературы и содержит 127 страниц печатного машинописного текста, в том числе 109 стр. основного текста, 13 стр. приложений. Список использованной литературы включает 58 наименований.

1. Coppage 1.E., London A.L. Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Porous Medium // Chemical Engineering progress, 1956. vol. 52. No.2.

2. Elevated-pressure mixed-coolants Joule-Thomson cryocooling / M.-Z. Maytal and oth. // Cryogenics, 2006. № 46. P. 55−67.

3. Fleming R.B. Advances in Cryogenic Engineering. // vol. 12. NY., 1976.

4. Gavin R.L. U.S. Patent No. 3 228 460, 1966.

5. Grunberg L., Nissan A.H. // Nature, 1949. № 164.

6. Hou Y.C., Martin J.J. Phisical and thermodynamic properties of triflouromethane // AlChE, 1959. № 5.

7. Ideal gas thermodynamic properties of six fluoroethanes / S.S. Chen and oth. // J. Phys. Chem. Ref., 1975, № 4.

8. Jamieson D.T., Irving J. B, Tudhope J.S. Liquid Thermal Conductivity: A Data Survey to 1973// H.M. Stationary office. E., 1975.

9. L.Q. Lobo, L.A.K. Staveley. The Vapour pressure of tetrafluoromethane // Cryogenics, 1979. № 19. P. 335−338.

10. L.Q. Lobo, L.A.K. Staveley. Thermodynamic properties of liquid carbon tetrafluoride. //J. Chem. Energy, 1981. № 26. P. 404−407.

11. Mc. Machon H.O., Bowen R.I. A perforated-plate Heat Exchanger. // Transaction of the ASME, 1950. № 5. vol. 72.

12. Prandtl L. Essentials for Fluid Mechanics // Blackie ltd., G., 1953.

13. Reid C.R., Prausnitz J.M., Poling B.E. The Properties of Gases and Liquids. Fourth edition. NY., 1987.

14. Rozhentsev A., Naer V. Investigation of the starting modes of the low-temperature refrigerating machines working on the mixtures of refrigerants // International journal of refrigeration, 2009. № 32. P. 901−910.

15. The Thermal modeling of a matrix heat exchangers using a porous medium and the thermal non-equilibrium model / A.M. Hayes and oth. // International Journal of Thermal Sciences, 2008. № 47. P. 1306 1315.

16. Vonk G.A. A compact heat exchanger of high thermal efficiency. // Phillips technical review, 1969. № 5. vol. 29.17. A.c. 553 435 (СССР).18. A.c. 561 073 (СССР).19. A.c. 612 143 (СССР).20. A.c. 638 835 (СССР).21. A.c. 673 833 (СССР).t.

17. Автономные криорефрижераторы малой мощности / М. Ю Боярский, А. Б. Грачев, Н. В. Калинин и др. М.: Энергоатомиздат, 1984.

18. Анашкин О. П., Гольдпггейн Е. И., Кейлин В. Е. Компактные высокоэффективные композиционные теплообменники. М.: Криогенное и кислородное машиностроение, 1974. № 3. С. 13−15.

19. Бабенко Е. А. Исследование процесса теплообмена в сетчатых матрицах // Криогенное, кислородное машиностроение. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1972. № 3.

20. Боярский М. Ю. Основы фазовых равновесий в многокомпонентных системах. М.: Моск. энерг. ин-т, 1984.I.

21. Бродянский В. М., Семенов A.M. Термодинамические основыjкриогенной техники. М.: Энергия, 1980.

22. Быстрова Т. А. Исследование регенератора-рекуператора в нестационарном тепловом потоке // Исследование аппаратов глубокого холода. Сб. статей МВТУ, 1955.

23. Заболотская Н. С. Матричные теплообменники в криогенной технике. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1980. Серия ХМ-6.

24. Заболоцкая Н. С., Притула В. В. Разработка технологии изготовления низкотемпературных компактных матричных теплообменников // Холодильная техника и технология. К.: Техника, 1975. № 21.

25. Исследование теплообмена в уплотненных сетчатых насадках /Е.А. Чернышева, В. В. Усанов, С. Н. Платонова и др. М.: Химическое и нефтяное машиностроение, 1977. № 12.

26. Кейс В. М., Лондон A.JI. Компактные теплообменники / Пер. с англ.: Под ред. Ю. В. Петровского. JL: Государственное энергетическое издательство, 1962.

27. Клеи в криогенной технике / Н. В. Филин, А. П. Микушин, JI.A. Буров и др. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979. Серия ХМ-6.

28. Лунин А. И., Могорычный В. И., Коваленко В. Н. Применение многокомпонентных рабочих тел в низкотемпературной технике: Учебное пособие. М.: Издательский дом МЭИ. 2009.

29. Макаров Г. В. Уплотнительные устройства. Изд. 2-е перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1973.

30. Металлический матричный теплообменник / Н. С. Заболотская, В. А. Веселов, C.B. Бодюл и др. // Изв. ВУЗов. М.: Машиностроение, 1978. № 3.

31. Микулин Е. И. и др. Теплообмен и сопротивление в матричных теплообменниках // Химическое и нефтяное машиностроение. 1979. № 3.

32. Микулин Е. И., Шевич Ю. А. Матричные теплообменные аппараты. М.: Машиностроение, 1983.

33. Научно-технологические принципы создания функционального СКМ металл стекло / O.A. Барабанова, C.B. Набатчиков, Могорычный В. И. и др. // Тр. 8-й научно-технической конференции. М.: МАТИ, 2009. С. 306−319.

34. Орлова М. П., Погорелова О. Ф., Улыбин С. А. Низкотемпературная термометрия: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987.40. Пат. № 428 075 (США).

35. Пат. № 47−46 940 МКИ, F 28 d 9/00 (Япония).

36. Пат. № 47−46 941, МКИ, F 28 d 9/00 (Япония).

37. Пат. № 5 787 715, F 25 В 019/02 (США).

38. Пат. № 3 912 003, МКИ, F 28 F 3/08 (США).

39. Рабинович С. Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978.

40. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. / Пер. с англ. под ред. Б. И. Соколова. Изд. 3-е перераб. и доп. Л.: Химия, 1982.

41. Розанов JI.H. Вакуумная техника. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1990.

42. Садовский М. Р. и др. Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления сетчатых насадок // Химическое и нефтяное машиностроение. М., 1969. № 2.

43. Создание высокоэффективных теплообменных аппаратов криогенных систем / В. Г. Пронько, Е. В. Оносовский, В.В. У санов и др. // Химическое и нефтяное машиностроение, 1976. № 3. С. 19−21.

44. Соколов Е. Я., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергия, 1987.

45. Солнцев Ю. П., Степанов Г. А. Материалы в криогенной технике. Справочник. JL: Машиностроение, 1982.

46. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М. П. Малкова. Изд 2-е перераб. и доп. М.: Энергия, 1973.

47. Термодинамические свойства азота / Под ред. Н. А. Еськова. М.: Издательство стандартов, 1977.

48. Термодинамические свойства гелия / Под ред. H.A. Еськова. М.: Издательство стандартов, 1984.

49. Холодильные компрессоры / А. В. Быков, Э. М. Бежанишвили, И. Н. Калнинь и др.- под ред. A.B. Быкова. Изд 2-е перераб. и доп. М.: Колос, 1992.

50. Шевич Ю. А., Микулин Е. И. Теплообмен и сопротивление в сетчатом теплообменнике-рекуператоре. // Химическое и нефтяное машиностроение. М., 1973. № 6. С. 20−22.

51. Шевич Ю. А., Микулин Е. И., Власов Д. И. Теплообмен в сетчатых матрицах при пульсирующем течении потока // Глубокий холод и кондиционирование. Тр. МВТУ, 1974. № 193. С 185−191.

52. Эксергетический метод и его приложения / Под ред. В. М. Бродянского. М.: МИР, 1967.