Розрахунок тепловіддачі у випарниках Розрахунок тепловіддачі при кипінні холодильних агентів

Кипіння може бути бульбашковим чи плівковим. Перехід від бульбашкового до плівкового режиму кипіння характеризується критичною густиною теплового потоку . У випарниках холодильних машин густина теплового потоку менша критичної, тому для них характерне бульбашкове кипіння. Процеси кипіння в апаратах ХМ протікають у великому об’ємі на поверхні гладких чи ребристих труб або у трубах та каналах різної форми за вимушеної чи вільної конвекції.

Кипіння у великому об’ємі на одиночній трубі. Під час такого кипіння на тепловіддачу впливають фізичні властивості холодильного агента, густина теплового потоку q_f або температурний напір θ_m, тиск або температура насичення, а також характеристика системи рідина – поверхня нагрівання.

Із збільшенням густини теплового потоку чи температурного напору тепловіддача у великому об’ємі зростає. Спочатку це вільна конвекція, коли перегріта рідина піднімається до поверхні та випаровується; потім, із збільшенням q_f, починається нерозвинуте бульбашкове кипіння, яке, у випадку подальшого зростання q_f, переходить у розвинуте і потім у плівкове кипіння.

Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні хладонів на одиночній горизонтальній трубі в зоні вільної конвекції та нерозвинутого бульбашкового кипіння ( ) визначається за рівнянням:

, (9.1)

де Ra – число Ралея, ; або в розмірнісному вигляді

. (9.2)

Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні аміаку в зоні вільної конвекції при використовують рівняння:

, (9.3)

або в розмірнісному вигляді

. (9.4)

Значення коефіцієнтів А та В залежить від виду холодильного агента та температури кипіння і можуть бути знайдені у спеціальній літературі. [Данилова]

В зоні розвинутого бульбашкового кипіння коефіцієнт тепловіддачі при кипінні хладонів визначається за формулою:

, (9.5)

де ; ; R_z – абсолютна середня висота нерівностей на шорсткій поверхні, мкм (для сталевих труб R_z=3÷6 мкм); R_zет – теж для еталонної поверхні (R_zет=1 мкм); М – молекулярна маса;

.

У випадку, коли у холодильному агенті розчинено мастило, коефіцієнт тепловіддачі, визначений за рівнянням (9.5), перемножують на поправний коефіцієнт , визначений за графіками (рис.9.1).

Рис.9.1. Поправний коефіцієнт на присутність мастила для R12 (a) та R22 (б):

1 – q_f=1800 Вт/м²; 2 – q_f=5000 Вт/м²; 1 – q_f=10000 Вт/м²; суцільна лінія – горизонтальна труба; штрихова – горизонтальна пластина

Для аміаку в зоні розвинутого кипіння коефіцієнт тепловіддачі визначається за рівнянням (при t₀=-40÷+20°C та q_f=23000÷87000 Вт/м²):

; , (9.6); (9.7)

де – тиск кипіння, бар.

В перехідній зоні нерозвинутого бульбашкового кипіння коефіцієнт тепловіддачі визначають за рівнянням

. (9.8)

Кипіння у великому об’ємі на пучку горизонтальних гладких труб. При такому кипінні коефіцієнт тепловіддачі буде більшим ніж у випадку кипіння на одиночній трубі, що пояснюється інтенсифікуючою дією бульбашок пари, які рухаються в об’ємі рідини, піднімаючись з нижніх рядів труб. Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі у цьому випадку при кипінні хладонів для q_f=1000÷10000 Вт/м² визначається за рівнянням

; (9.9)

де – визначається за рівнянням (9.5); – поправний коефіцієнт на число труб у пучку (рис.9.2). З врахуванням впливу домішки мастила вводиться додатковий поправний коефіцієнт . При t₀=-25÷-10°C та q_f=1000÷6500 Вт/м² та концентрації мастила до 6% .

Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі при кипінні аміаку на пучку труб діаметром 25–38 мм при числі труб за висотою 6–10 в інтервалі температур t₀=-30÷0°C та q_f=1200÷12000 Вт/м² визначається за рівнянням

або . (9.10); (9.11)

Рис.9.2. Поправний коефіцієнт на число рядів гладких труб у пучку: а – десятирядний пучок для R22; б – п’ятнадцятирґдний пучок для R12; суцільна лінія – ; штрихова – ; штрих пунктирна –

Кипіння у великому об’ємі на пучку горизонтальних ребристих труб. При кипінні хладонів на пучках труб з накатними ребрами , без домішок мастила коефіцієнт тепловіддачі визначається за рівнянням

; (9.12)

де – середній коефіцієнт еталонного (шестирядного) пучка; – поправний коефіцієнт на число рядів труб у пучку.

Для R12 ; . (9.13); (9.14)

Для R22 ; . (9.15); (9.16)

В рівняння (9.13)–(9.16) р₀ підставляється у барах (1бар=10⁵Па), а величина визначається за графіками рис.9.3.

Рис.9.3. Поправний коефіцієнт на число рядів оребрених труб у пучку (а– для R12; б– для R22); 1 – Вт/м²; 2 – Вт/м²; 3 – Вт/м²; 4 – Вт/м²; суцільна – t₀=-20°C; пунктир – t₀=10°C

Рівняння для визначення справедливі для шестирядного пучка з при Вт/м². При .

При кипінні на ребристому пучку R13 коефіцієнт тепловіддачі визначається за рівняннями

; . (9.17); (9.18)

Рівняння справедливі при t₀=-60÷10°C, q_f=2000÷10000 Вт/м². Величини С та D залежать від від температури кипіння. При t₀=-60°C С=5,2, D=140,6; при t₀=-30°C С=9,65, D=898,6; при t₀=-10°C С=15,3, D=3581,6.

При кипінні на шестирядному пучку суміші R12 та мастила ХФ–12 у кількості 8% в інтервалі температур t₀=-20÷-10°C та густині теплового потоку q_f=2000÷6000 Вт/м² коефіцієнт тепловіддачі визначається за рівнянням

, (9.19)

де – поправний коефіцієнт, який враховує вплив мастила на кипіння на ребристому пучку труб, при t₀=-20°C і при t₀=-10°C.

Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні R12 та R22 змішаних з мастилом при на 10–30% вищий ніж у чистих речовин; при він зменшується; найбільші значення спостерігаються при .

Кипіння в трубах та каналах. Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі при кипінні хладонів в горизонтальних трубах при малих значеннях q_f визначається за рівнянням

; (9.20)

де – швидкість ХА, м/с; ρ – густина рідкого ХА, кг/м³; C та n – коефіцієнта, що залежать від властивостей холодильного агента. Для R12 відповідно рівні 23,4 та 0,47; для R22 – 32,0 та 0,47; для R142 – 15,0 та 0,57.

Рівняння (9.20) використовують при значеннях q_f, обмежених значеннями масової швидкості , наведеними в табл.9.1.

Таблиця 9.1. Густина теплового потоку залежно від масової швидкості

киплячих робочих речовин у каналах

Робоча речовина	, кг/(м2с)
	60	120	250	400	650
R12	1500	1800	2000	2500	3000
R22	1500	1800	2000	2500	3500
R142	2800	3000	5000	7000	8000

У випадку коли значення q_f більші від наведених у табл.9.1 середній коефіцієнт тепловіддачі знаходять за рівнянням

. (9.21)

Таблиця 9.2. Значення коефіцієнта А для деяких робочих речовин

Робоча речовина	t0, °С
	-30	-10	0	10	30
R11	0,33	0,475	0,54	0,605	0,79
R12	0,85	1,045	1,14	1,23	1,47
R22	0,95	1,17	1,32	1,47	1,25
R142	0,59	0,73	0,815	0,90	1,125

Рівняння (9.21) використовують при швидкості рідини, яка надходить у труби ω=0,05÷0,5 м/с; орієнтовно ω приймають 0,05÷0,15 м/с.

Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі при кипінні аміаку в горизонтальних трубах визначається за рівнянням

, (9.22)

де – середній коефіцієнт тепловіддачі за рівнянням для перехідного і турбулентного режиму руху рідини (8. ) при і ; – середній коефіцієнт тепловіддачі за рівнянням (9.6).

Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні хладонів у вертикальних трубах та каналах визначається за рівняннями:

для бульбашкової течії ( )

, (9.23)

для кільцевої течії ( )

, (9.24)

де – визначається за рівнянням

. (9.25)

В рівняннях (9.21)–(9.25) для труб d –внутрішній діаметр, для каналів –еквівалентний діаметр d_екв;  – теплопровідність холодильного агента, Вт/(мК); μ – динамічна в’язкість, Па∙с; μ_ст – те ж за температури стінки; r – теплота пароутворення, Дж/кг; с – питома теплоємність, Дж/(кгК);  - густина рідини, кг/м³;  - густина пари; σ – поверхневий натяг, Н/м; х – паровміст, кг/кг.

Середній коефіцієнт тепловіддачі при кипінні аміаку в вертикальних трубах та каналах в умовах вільної конвекції визначається за рівнянням

, (9.26)

яке справедливе в інтервалі t₀=-30÷0 °C та q_f=1000÷14000 Вт/м² при повністю заповнених трубах.

Випаровування в стікаючій плівці рідини. Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі при випаровуванні плівки хладонів, яка стікає по поверхні пучка горизонтальних труб, визначається за рівнянням справедливим при

; (9.27)

де С – коефіцієнт, який залежить від властивостей робочої речовини; для R12 C=7800, для R22 C=9800, для R113 C=5600; Г – густина зрошення, м²/с; s – крок трубного пучка, м.

Густина теплового потоку на початку закипання

; (9.28)

де С₁ – коефіцієнт, який залежить від властивостей робочої речовини; для R12 C₁=18,0, для R22 C₁=16,0, для R113 C₁=13,8; р – тиск рідини, бар.

Для умов розвинутого кипіння плівки

, (9.29)

де С₂– коефіцієнт, який залежить від властивостей робочої речовини та температури кипіння (табл.9.3).

Таблиця 9.3. Значення коефіцієнта С₂

Робоча речовина	t0, °С
	-40	-30	-20	-10	0
R12	–	8,1	6,7	5,7	5,0
R22	8,6	7,2	5,9	5,1	4,7

Рівняння (9.27)–(9.29) справедливі в інтервалі q_f=500÷25000 Вт/м², Г=(0,3÷2,4)10^-4 м²/с, s/d_зов=1,1÷2,2; d_зов=18 мм.