Экспериментальное исследование теплообмена при кипении в условиях вынужденного течения фреонов

Аннотация

На текущий момент не существует методов расчета коэффициента теплоотдачи при кипении в потоке жидкости, в которых было бы учтено все разнообразие режимов течения в широком диапазоне параметров потока. Большинство экспериментальных и аналитических исследований выполнено при низких значениях приведенного давления. Существенно меньше исследований проведено при высоких значениях приведенного давления. В настоящее время существует множество эмпирических методов расчета теплоотдачи, полученных на различных хладонах в условиях невысоких значений приведенного давления и массовых скоростей. Существуют также специальные формулы расчета теплоотдачи для мини- и микроканалов, полученные при малых значениях приведенного давления. В энергетических и холодильных системах возможно использование мини-канальных теплообменников, в которых специально подобранная рабочая жидкость будет находиться в условиях высокого или умеренного давления. Необходимо проверить работоспособность существующих методов расчета теплоотдачи в условиях повышенных значений приведенного давления вплоть до p_r ≈ 0,6 в канале с гидравлическим диаметром d ≈ 1 мм. Представлен обзор методов расчета коэффициента теплоотдачи при течении двухфазных потоков, их обобщение и сравнение результатов расчета по ним с собственными экспериментальными данными. Экспериментальные данные получены для значений приведенного давления p_r = p / p_cr = 0,43 и 0,56 в диапазоне значений массовой скорости G = 200...1500 кг/(м² · с). Описан экспериментальный стенд и порядок проведения эксперимента

Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 19-19-00410)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Крапивин И.И., Беляев А.В., Дедов А.В. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении в условиях вынужденного течения фреонов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 4 (103), с. 59--79. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-4-59-79

Литература

[1] Charnay R., Revellin R., Bonjour J. Flow boiling heat transfer in minichannels at high saturation temperatures: Part I --- Experimental investigation and analysis of the heat transfer mechanisms. Int. J. Heat Mass Transf., 2015, vol. 87, pp. 636--652. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.03.081

[2] Chen J.C. Correlation for boiling heat transfer to saturated fluid in convective flow. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1966, vol. 5, iss. 3, pp. 322--329. DOI: https://doi.org/10.1021/i260019a023

[3] Lazarek G., Black S. Evaporative heat transfer, pressure drop and critical heat flux in a small vertical tube with R-113. Int. J. Heat Mass Transf., 1982, vol. 25, iss. 7, pp. 945--960. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(82)90070-9

[4] Tran T.N., Wambsganss M.W., France D.M. Small circular and rectangular channel boiling with two refrigerants. Int. J. Multiph. Flow, 1966, vol. 22, iss. 3, pp. 485--498. DOI: https://doi.org/10.1016/0301-9322(96)00002-X

[5] Kenning D.B.R., Cooper M.G. Saturated flow boiling of water in vertical tubes. Int. J. Heat Mass Transf., 1989, vol. 32, iss. 3, pp. 445--458. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(89)90132-4

[6] Bertsch S.S., Groll E.A., Garimella S.V. A composite heat transfer correlation for saturated flow boiling in small channels. Int. J. Heat Mass Transf., 2009, vol. 52, iss. 7-8, pp. 2110--2118. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.10.022

[7] Liu Z., Winterton R.H.S. A general correlation for saturated and subcooled flow boiling in tubes and annuli based on a nucleate pool boiling equation. Int. J. Heat Mass Transf., 1991, vol. 34, iss. 11, pp. 2759--2766. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(91)90234-6

[8] Kaew-On J., Wongwises S. New proposed two-phase multiplier and evaporation heat transfer coefficient correlations for R134a flowing at low mass flux in a multiport minichannel. Int. Commun. Heat Mass Transf., 2012, vol. 39, iss. 6, pp. 853--860. DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2012.04.015

[9] Agostini B., Bontemps A. Vertical flow boiling of refrigerant R134a in small channels. Int. J. Heat Fluid Flow, 2005, vol. 26, iss. 2, pp. 296--306. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2004.08.003

[10] Kandlikar S.G. A general correlation for saturated two-phase flow boiling heat transfer inside horizontal and vertical tubes. J. Heat Transfer., 1990, vol. 112, iss. 1, pp. 219--228. DOI: https://doi.org/10.1115/1.2910348

[11] Gungor K.E., Winterton R.H.S. A general correlation for flow boiling in tubes and annuli, based on a nucleate pool boiling equation. Int. J. Heat Mass Transf., 1986, vol. 29, iss. 3, pp. 351--358. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(86)90205-X

[12] Choi K.I., Pamitran A.S., Oh J.T. Two-phase flow heat transfer of CO2 vaporization in smooth horizontal minichannels. Int. J. Refrig., 2007, vol. 30, iss. 5, pp. 767--777. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2006.12.006

[13] Sun L., Mishima K. An evaluation of prediction methods for saturated flow boiling heat transfer in minichannels. Int. J. Heat Mass Transf., 2009, vol. 52, iss. 23-24, pp. 5323--5329. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.041

[14] Kim S.-M., Mudawar I. Universal approach to predicting two-phase frictional pressure drop for mini/micro-channel saturated flow boiling. Int. J. Heat Mass Transf., 2013, vol. 58, iss. 1-2, pp. 718--734. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.11.045

[15] Shah M.M. Chart correlation for saturated boiling heat transfer: equations and further study. ASHRAE Transactions, 1982, vol. 88, no. 1, pp. 185--196.

[16] Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия, 1977.

[17] Forster К., Zuber N. Dynamics of vapor bubbles and boiling heat transfer. AIChE J., 1955, vol. 1, iss. 4, pp. 531--535. DOI: https://doi.org/10.1002/aic.690010425

[18] Cooper M.G. Heat flow rates in saturated nucleate pool boiling --- a wide-ranging examination using reduced properties. Adv. Heat Transf., 1984, vol. 16, pp. 157--239. DOI: https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70205-3

[19] Ягов В.В. Основной механизм пузырькового кипения. Теплоэнергетика, 2008, № 3, с. 58--63.

[20] Belyaev A., Varava A., Dedov A., et al. An experimental study of flow boiling in minichannels at high reduced pressure. Int. J. Heat Mass Transf., 2017, vol. 110, pp. 360--373. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.045

[21] Marchetto D.B., Moreira D.C., Revellin R., et al. A state-of-the-art review on flow boiling at high reduced pressures. Int. J. Heat Mass Transf., 2022, vol. 193, art. 122951. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122951

[22] Belyaev A.V., Dedov A.V., Krapivin I.I., et al. Study of pressure drops and heat transfer of nonequilibrial two-phase flows. Water, 2021, vol. 13, iss. 16, art. 2275. DOI: https://doi.org/10.3390/w13162275