Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих данных 9
1.1 Матричные теплообменники 9
1.1.1 Конструкции и методы изготовления матричных теплообменников 9
1.1.2 Теплообмен и гидравлические характеристики 16
1.2 Дроссельные регенеративные системы 22
Глава 2. Экспериментальный стенд и методика проведения эксперимента 26
2.1 Экспериментальный стенд 26
2.1.1 ДРС экспериментального стенда 28
2.1.2 Матричный теплообменник 37
2.1.3 Расходомер 40
2.1.4 Система измерения и сбора параметров 46
2.1.5 Вакуумная система 50
2.2 Методика проведения эксперимента и обработки данных 51
2.2.1 Методика проведения эксперимента 52
2.2.2 Методика обработки полученных данных 57
2.2.3 Методика определения свойств рабочих тел 66
Глава 3. Экспериментальные исследования 71
3.1 Экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений матричного теплообменника 72
3.1.1 Гидравлические сопротивления МТ при течении газовых потоков 72
3.1.2 Гидравлические сопротивления МТ при течении парожидкостных потоков 82
3.2 Экспериментальные исследования характеристик теплообмена матричного теплообменника 88
3.2.1 Теплообмен в газовых потоках 89
3.2.2 Теплообмен в парожидкостных потоках 92
Глава 4. Погрешности измерений 102
4.1 Погрешности прямых измерений 102
4.2 Погрешности косвенных измерений 106
Выводы 108
Приложения 110
Список литературы 123
- Конструкции и методы изготовления матричных теплообменников
- Методика обработки полученных данных
- Гидравлические сопротивления МТ при течении газовых потоков
- Погрешности прямых измерений
Введение к работе
Актуальность работы. Расширение области применения дроссельных регенеративных систем (ДРС) (охлаждение датчиков и ВТСП-устройств, крномедицина, 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. Количество компонентов смеси зависит от ряда факторов и обычно увеличивается с понижением температурного уровня охлаждения. 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 при работе на смесевом хладагенте в каналах прямого и обратного потоков происходит конденсация и кипение компонентов смеси, соответственно. В настоящее время отсутствует методика расчёта рекуперативных теплообменников при работе на смесевых хладагентах даже для относительно простых и наиболее часто применяющихся в ДРС теплообменников типа «труба в трубе». Это справедливо и в отношении определения гидравлического сопротивления теплообменников. Указанные обстоятельства 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 Re 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 (Nu) от числа Рейнольдса. Эти зависимости рекомендуются при выполнении расчетов МТ.
Впервые при исследовании матричного теплообменника при работе на смеси азот - фреон R125 обнаружена особенность достижения фазового равновесия, которая выражается в эндотермической реакции в канале прямого потока, что находит отражение в дополнительном охлаждении потока.
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.
Автор выносит на защиту:
- результаты экспериментального исследования характеристик гидравлики и теплообмена МТ в составе ДРС при работе на перспективных хладагентах.
расчётные зависимости, позволяющие провести расчёт рекуперативного теплообменника матричного типа с круглой перфорацией, собранного со смещением.
Конструкции и методы изготовления матричных теплообменников
Форма и размер каналов для потоков хладагента определяется геометрией проставки. Развитая поверхность теплообмена даёт высокие значения компактности для современных образцов, что является одним из основных преимуществ матричных теплообменников.
В низкотемпературной и криогенной технике матрицы из 1111 и сетки применяются в качестве регенераторов газовых криогенных машин и рекуперативных теплообменников различных установок. Конструкция первого клееного матричного рекуператора была разработана голландской фирмой «Phillips» в 1968 году [16]. Криогенный матричный рекуператор компактностью 3000 MVM3 предназначался для гелиевого ожижителя и состоял из медных сеток диаметром проволоки около 0,2 мм и бумажных прокладок, пропитанных креозольной смолой. В теплообменнике было 49 каналов квадратного сечения 8x8 мм. Толщина перегородки между каналами 2,5 мм.
Первая конструкция МТ из ПП была предложена Мак-Магоном и применена в рекуператоре из алюминиевых пластин толщиной 3,2 - 1,6 мм с круглой перфорацией диаметром 2,1-3,2 мм и неопреновых прокладок толщиной 0,3 - 3 мм [11]. В работе [42] рассмотрен рекуператор, собранный из отдельных элементов, выполненных из проволочной сетки с применением различных связующих.
Теплообменники по патенту США [43] состоят из большого количества параллельных плоских дисков, расположенных на оси. В каждом диске выполнены концентрические внутренний и внешний ряды (массивы) отверстий, между которыми имеется ещё один промежуточный ряд. Между соседними дисками установлены уплотнительные проставки, которые предотвращают перетечки теплоносителя между рядами. Рабочие потоки проходят через теплообменник противотоком, теплообмен между ними осуществляется по диску, как по элементу ребра (рис. 1.2).
Теплообменник, описанный в [44], содержит каналы, разделенные твёрдой непроницаемой перегородкой из антикоррозийного материала с низким коэффициентом теплопроводности. Через эту перегородку проходит большое количество герметично установленных ребер из теплопроводного материала, которые омываются с разных сторон перегородки теплоносителями.
Первые матричные теплообменники в Советском союзе были изготовлены из медных и алюминиевых пластин и стеклотекстолитовых проставок. Компактность аппаратов составляла 1560-2660 M7MJ. Предназначались данные МТ для работы в составе дроссельной ступени гелиевых ожижителей [23].
Высококомпактные пластины из безотходной листовой сетки - фольги одновременно предложены в Советском Союзе [18] и США [40]. Поверхность теплообмена образована листом с множеством прорезанных в нём щелей. Такая конструкция листовой сетки принципиально позволила изготавливать теплообменники с разной геометрией каналов по прямому обратному потокам. Высокая компактность сетки достигала 12000 M7MJ. Теплообменники из неё были изготовлены на НПО «Гелиймаш» с применением клеевой плёнки и проставок из материала БЭП-50П и применялись в составе гелиевого рефрижератора КГУ 150/4,5 на азотном уровне температур [49].
Компактность матричных рекуператоров может быть значительно повышена изготовлением пакета из теплопроводных пластин с наклонными выступающими боковыми поверхностями при компоновке их без кольцевых экранов [19],[21].
С целью интенсификации теплообмена и повышения надёжности пакета, в работе [17] предложена конструкция пластин с профилированными рассекателями потока. Для упрощения конструкции на части поверхности перфорированных пластин выполняют вырезы, ограниченные по периметру сплошными кромками, к которым примыкают планки промежуточных 1111 [20].
Технология производства МТ заключается в получении многоканального пакета с регулярной структурой. Из-за большого количества элементов в теплообменнике, добиться требуемой прочности герметичности всех каналов вместе с коллекторами крайне сложно. Существует несколько способов изготовления матриц.
Для создания пакетов с низкой осевой теплопроводностью используются различные клеи [32]. Кроме того, для создания герметичного соединения, в качестве проставки можно использовать неметаллический, хорошо уплотняющий материал (стеклотекстолит, фторопласт). Так, например, хорошие результаты по изготовлению клееных сетчатых матриц были получены при использовании эпоксикремнийорганической смолы ВТ-200. Такие теплообменники сохраняют свою герметичность вплоть до температуры жидкого азота [23].
В патенте [4] предложен теплообменник из набора перфорированных (d=0,38 мм) металлических дисков, разделенных теплоизолирующими и герметизирующими кольцеобразными проставками из нейлона на рабочие давления потоков 2,1 и 0,105 МПа.
Диффузионная сварка или пайка позволяет создавать МТ с высокой прочностью. Однако такие теплообменники обладают существенно более высокой осевой теплопроводностью, в отличие от клееных или выполненных с проставками из неметаллов.
Методика обработки полученных данных
Нагрузка на теплообменник (в расчёте и эксперименте, по обратному потоку) составила 280 Вт. В эксперименте, нагрузка на прямой поток составила 575 Вт., т.е. примерно в 2 раза больше чем на обратный. После дросселя и испарителя, на входе обратного потока в теплообменник, расчётная и экспериментальная температуры равны. И в расчёте и в эксперименте энергетический баланс всей системы выполняется. В результате обработки и анализа всех полученных данных по исследованию теплообмена в парожидкостных потоках, был сделан ряд предположений: - в каналах высокого давления МТ, в процессе работы дроссельной системы, происходит накопление жидкости, обогащенной высококипящим компонентом смеси; - между газовым потоком и потоком жидкости (скорость движения жидкости меньше скорости газа) в прямом потоке отсутствует фазовое равновесие; - в отсутствие фазового равновесия между потоками, в каналах прямого потока по длине МТ происходит эндотермическая реакция с поглощением тепла, в результате чего прямой поток дополнительно охлаждается; - количество тепла, поглощённое в результате эндотермической реакции соизмеримо с тепловой нагрузкой МТ. Можно также предположить, что если изменить геометрию каналов таким образом, что бы исключить возможные зоны циркуляции, которые возникают между пластинами, а так же увеличить среднюю скорость потока, то эффект накопления жидкости должен уменьшиться или исчезнуть совсем.
Как и ожидалось, результаты эксперимента и расчёта хорошо согласуются друг с другом. Тепловой баланс по теплообменнику в эксперименте выполняется. Концентрация смеси практически не изменялась в процессе всего эксперимента. Это косвенно подтверждает высказанные выше предположения.
В данном эксперименте наблюдается отличие температуры после дросселя (рис. 3.19). Это можно объяснить тем, что после дросселя, между паром и жидкостью фазовое равновесие не успевает быть достигнутым. Ввиду очень высоких скоростей в процессе дросселирования на выходе температуры жидкости и пара несколько отличаются, и окончательное перемешивание происходит уже в испарителе системы. После испарителя парожидкостной поток находится в равновесии и на входе в теплообменник расчётная и экспериментальная температуры равны.
В следующем эксперименте по исследованию теплообмена между парожидкостными потоками в качестве хладагента использовалась трёхкомпонентная смесь С2Н4 (0,83 мол. дол.) — R14 (0,03 мол. дол.) — R236fa (0,14 мол. дол.). Согласно термодинамического расчёта цикла, в прямом потоке по всей длине теплообменника осуществлялся процесс конденсации, мольная доля жидкости изменялась от 0 до 0,36 мол. дол. В обратном потоке, на части поверхности происходило кипение, с изменением доли жидкости от 0,18 до 0 мол. дол. Результат обработки полученных данных (Таблица П.10), также как и для смеси азот — R125, выявил отсутствие теплового баланса между потоками. И также, количество тепла, отведенное от прямого потока, было больше, чем подведенное к обратному. Эта разница, в зависимости от режима, составляла 20 — 25 %.
На рис. 3.20 приведены результаты расчёта реакций смешения этилена и фреона R236fa, при средних температурах и давлениях по прямому и обратному потокам.
Расчёты показали, что если смешать эти компоненты при параметрах (температуре и давлении) прямого потока, то будет осуществляться экзотермическая реакция и температура смеси повысится. И, наоборот, при параметрах обратного потока, реакция эндотермическая — с поглощением тепла.
Если предположить, что в потоках осуществляется раздельное течение жидкости и газа (обогащенных R236fa и этиленом соответственно), которые не находятся в фазовом равновесии между собой, то между ними могут наблюдаться вышеперечисленные реакции смешения. Тогда, это объясняет различие между количеством тепла, отведенным от прямого потока и количеством тепла, подведенным к обратному.
В настоящее время проводятся отдельные исследования по определению режимов течения и изучению вопросов фазового равновесия в каналах МТ при течении парожидкостных потоков.
Гидравлические сопротивления МТ при течении газовых потоков
Теплообменник, описанный в [44], содержит каналы, разделенные твёрдой непроницаемой перегородкой из антикоррозийного материала с низким коэффициентом теплопроводности. Через эту перегородку проходит большое количество герметично установленных ребер из теплопроводного материала, которые омываются с разных сторон перегородки теплоносителями.
Первые матричные теплообменники в Советском союзе были изготовлены из медных и алюминиевых пластин и стеклотекстолитовых проставок. Компактность аппаратов составляла 1560-2660 M7MJ. Предназначались данные МТ для работы в составе дроссельной ступени гелиевых ожижителей [23].
Высококомпактные пластины из безотходной листовой сетки - фольги одновременно предложены в Советском Союзе [18] и США [40]. Поверхность теплообмена образована листом с множеством прорезанных в нём щелей. Такая конструкция листовой сетки принципиально позволила изготавливать теплообменники с разной геометрией каналов по прямому обратному потокам. Высокая компактность сетки достигала 12000 M7MJ. Теплообменники из неё были изготовлены на НПО «Гелиймаш» с применением клеевой плёнки и проставок из материала БЭП-50П и применялись в составе гелиевого рефрижератора КГУ 150/4,5 на азотном уровне температур [49].
Компактность матричных рекуператоров может быть значительно повышена изготовлением пакета из теплопроводных пластин с наклонными выступающими боковыми поверхностями при компоновке их без кольцевых экранов [19],[21].
С целью интенсификации теплообмена и повышения надёжности пакета, в работе [17] предложена конструкция пластин с профилированными рассекателями потока. Для упрощения конструкции на части поверхности перфорированных пластин выполняют вырезы, ограниченные по периметру сплошными кромками, к которым примыкают планки промежуточных 1111 [20].
Технология производства МТ заключается в получении многоканального пакета с регулярной структурой. Из-за большого количества элементов в теплообменнике, добиться требуемой прочности герметичности всех каналов вместе с коллекторами крайне сложно. Существует несколько способов изготовления матриц.
Для создания пакетов с низкой осевой теплопроводностью используются различные клеи [32]. Кроме того, для создания герметичного соединения, в качестве проставки можно использовать неметаллический, хорошо уплотняющий материал (стеклотекстолит, фторопласт). Так, например, хорошие результаты по изготовлению клееных сетчатых матриц были получены при использовании эпоксикремнийорганической смолы ВТ-200. Такие теплообменники сохраняют свою герметичность вплоть до температуры жидкого азота [23].
В патенте [4] предложен теплообменник из набора перфорированных (d=0,38 мм) металлических дисков, разделенных теплоизолирующими и герметизирующими кольцеобразными проставками из нейлона на рабочие давления потоков 2,1 и 0,105 МПа.
Диффузионная сварка или пайка позволяет создавать МТ с высокой прочностью. Однако такие теплообменники обладают существенно более высокой осевой теплопроводностью, в отличие от клееных или выполненных с проставками из неметаллов.
Интерес представляют работы Одесского технологического института холодильной техники (ОТИХТ), в котором спроектированы и изготовлены двух- и трёхканальные цельнометаллические теплообменники из медных (МЗ) перфорированных пластин методом диффузионной сварки с металлическими проставками. Теплопроводность проставок из нержавеющей стали 12Х18Н10Т примерно в 25 раз меньше, чем у меди.
В Японии предложены конструкции теплообменников [41], в которых отсутствуют проставки. Вместо этого, в пластинах выдавливают канавки, которые заполняются клеем. Уложенные друг на друга (канавки двух смежных пластин образуют соединение «шип-паз»), пластины обеспечивают герметичное соединение между каналами (рис. 1.3).
В настоящее время активно развивается технология по созданию слоисто-композиционного материала металл-стекло. В процессе изготовления, между перфорированной пластиной и проставкой (выполненными из одного материала с высокой теплопроводностью) создается дополнительная прослойка из специального класса легкоплавких многокомпонентных оксидных систем, синтезированных в системе оксидов: свинца, бора, цинка, кремния, меди, которая наносится на 1111 одним из методов тонкоплёночной технологии. После сборки пакет-матрицы осевая теплопроводность конструкции существенно снижается. Благодаря данной технологии создан ряд МТ работоспособных в интервале давлений и температур: вакуум — бМПа; 100 - 573 К, масса которых в 2-3 раза ниже, чем у существующих аналогов [38].
Погрешности прямых измерений
Дроссельные регенеративные системы (ДРС) широко используются в различных областях науки и техники для достижения необходимых температур. Основными достоинствами таких систем являются относительная простота конструкции, сравнительно низкая стоимость установки, возможность температурного регулирования. Температурный диапазон применения ДРС достаточно широк и варьируется в среднем от 80 до 220 К. Простота конструкции установки зачастую позволяет использовать стандартный модельный ряд комплектующих, выпускаемых холодильной промышленностью. Рабочим телом цикла является хладагент, циркулирующий в системе.
В литературе часто встречаются такие понятия, как «прямой (горячий) поток» и «обратный (холодный) поток». К прямому потоку относятся все элементы и трубопроводы системы от выхода из компрессора до дросселя, в которых хладагент находится под давлением Р/,. Обратный поток — от дросселя до входа в компрессор. Хладагент находится при давлении Р/.
Рабочее тело поступает в компрессор, где сжимается до давления нагнетания, Ph. При этом температура хладагента повышается. Охлаждение рабочего потока до температуры, близкой к температуре окружающей среды, происходит в конденсаторе. Существует два типа конденсаторов, наиболее часто использующихся в ДРС, — это воздушные и водяные конденсаторы. После охлаждения в конденсаторе установки хладагент поступает в низкотемпературную часть (криоблок) системы. В состав криоблока ДРС входят рекуперативный теплообменник, дроссель и испаритель. В рекуперативном теплообменнике происходит процесс теплопередачи между потоками (основная задача - предварительное охлаждение прямого потока перед дросселированием). Дроссель представляет собой сужающее устройство, обеспечивающее падение давления рабочего потока хладагента. Обычно могут использоваться используют 2 типа дросселей. Первый — регулируемый, с возможностью изменения площади проходного сечения. Такой тип дросселя позволяет изменять давление обратного потока и температуру в испарителе. К недостаткам регулируемого дросселя можно отнести относительную сложность конструкции, дополнительные теплопритоки к системе по тепловым мостам. Второй тип — капиллярная трубка (аналогично домашним бытовым холодильникам). Недостатками капилляра является отсутствие регулирования и некоторые трудности при расчёте. Это компенсируется предельной простотой конструкции. Кроме того, у капилляров есть ещё одно достоинство в сравнении с регулируемым дросселем: при использовании стандартных маслоотделителей, эффективность которых не равна 100%, часть компрессорного масла проникает в низкотемпературный блок. Поскольку проходное сечение в регулируемом дросселе существенно меньше, чем в капилляре, то вероятность его «забивки» гораздо выше.
После дросселирования до давления Р\, рабочий поток поступает в испаритель. В испарителе происходит теплообмен между хладагентом и объектом охлаждения. После испарителя хладагент направляется в рекуперативный теплообменник и далее, на линию всасывания в компрессор.
В основе компрессорно-конденсаторного блока дроссельной системы экспериментального стенда лежит доработанная компрессорная часть газовой криогенной машины, работающей по циклу Стирлинга, изготовленная фирмой APD Cryogenics. Принципиальная схема и внешний вид блока представлены на рис. 2.4 и 2.5
Компрессор блока (1) ротационного типа изготовлен фирмой Matsushita Electric Industrial. Идеальная объемная подача составляет 3,4 м /час. Такие компрессоры, обычно, являются компрессорами малой производительности и широко применяются в системах кондиционирования, а также в холодильной и криогенной технике с небольшой холодопроизводительностью (около 10 Вт на азотном уровне температур) [33].
На корпусе компрессора расположены клеммная коробка электрического соединения и 3 патрубка для трубопроводов: линия нагнетания, линия всасывания и линия возврата масла в картер компрессора после маслоотделителя. Соединения трубопроводов — неразъемное, осуществлено методом пайки твёрдым припоем. На трубопроводах установлены виброгасящие вставки.
Рабочее тело, после сжатия в компрессоре направляется в маслоотделитель (2). Маслоотделитель циклонного типа предназначен для очистки рабочего потока хладагента от капельного масла. Эффективность таких устройств не идеальна и часть масла остается в составе хладагента. Поэтому, для дополнительной очистки рабочего тела от масла, после маслоотделителя, установлен адсорбер (3). Адсорбент ( два слоя — силикагель и активированный уголь), засыпанный в адсорбере, эффективно поглощает оставшиеся пары масла. После адсорбера, рабочее тело направляется в низкотемпературную часть системы. На линии всасывания, пред компрессором установлен ресивер, объемом 4 литра. Ресивер сглаживает колебания давления перед компрессором. Выравнивание давления при выключении компрессора осуществляется по линии байпаса (выключение питания приводит к открытию электрического вентиля). При превышении давления нагнетания более 28 атм., срабатывает предохранительный клапан. Соединение между компрессорным блоком и низкотемпературной частью, осуществляется с помощью гибких шлангов.
