Моделирование тепло-гидродинамических процессов в испарителях низкотемпературных систем с внутриканальным кипением хладагентов

Предмет исследования. Внедрение новых типов теплообменных аппаратов с фазовыми переходами и решение задач оптимизации конструктивных и эксплуатационных характеристик являются приоритетными в рамках программы энергосбережения. Известные методики расчета тепло-гидродинамических параметров потока холодильных агентов часто не учитывают специфику процессов кипения при отрицательных температурах, а также в каналах малого проходного сечения. В данной работе представлены результаты моделирования теплообмена при кипении хладагентов в каналах испарителей теплохладоэнергетических комплексов с учетом истинных параметров потока. Метод. Предложенная математическая модель кипения рабочего вещества в каналах различной формы основана на истинных параметрах потока, подразумевающих знание площадей сечений канала, занятых каждой из фаз. Значение истинного объемного паросодержания обеспечивает наиболее корректное моделирование двухфазных потоков в широком диапазоне режимных и геометрических параметров. В работе использованы уравнения материального и теплового баланса в сочетании с уравнением теплопередачи от окружающей среды к кипящему хладагенту. В качестве эмпирической составляющей применена карта режимов течения. Основные результаты. Разработана программа расчета предложенной системы уравнений, которая на каждом временном шаге решается итеративно с применением метода конечных объемов. Выполнено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными на моделях испарителей с каналами круглого и прямоугольного сечений с внутриканальным кипением холодильных агентов при положительной и отрицательной температурах насыщения. Показано, что погрешность расчетов не превышает 10 % для круглого и 20 % для прямоугольного проходного сечения. Результаты верификации показали возможность применения модели в рамках инженерных расчетов. Практическая значимость. Представленная математическая модель может быть положена в основу программ расчета существующих испарителей и при создании новых типов теплообменных аппаратов с внутритрубным кипением рабочего вещества. Рассмотренный метод позволяет оптимизировать как геометрические, так и тепло-гидродинамические параметры.

1. Мезенцева Н.Н., Мезенцев И.В., Мухин В.А. Теплообмен при пузырьковом кипении неазеотропных смесей в горизонтальных трубах // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2016. Т. 11. № 3. С. 46–52.

2. Апицына О.С., Малышев А.А., Малинина О.С., Арно М.Д., Бубнов К.А., Захарова В.Ю. Расчет локальной теплоотдачи при кипении рабочих веществ в стесненном пространстве // Вестник Международной академии холода. 2021. № 2. С. 79–87. https://doi.org/10.17586/1606-4313-2021-20-2-79-87

3. Zhou Z., Fang X., Li D. Evaluation of correlations of flow boiling heat transfer of R22 in horizontal channels // The Scientific World Journal. 2013. V. 2013. P. 458797. https://doi.org/10.1155/2013/458797

4. Niño V.G., Hrnjak P.S., Newell T.A. Characterization of Two-phase Flow in Microchannels: ACRC Technical Report 202. University of Illinois at Urbana-Champaign, 2002. 98 p.

5. Lockhart R., Martinelli R. Proposed correlation of data for isothermal two-phase, two-component flow in pipes // Chemical Engineering Progress. 1949. V. 45. N 1. P. 39–48.

6. Saitoh S., Daiguji H., Hihara E. Correlation for boiling heat transfer of R-134a in horizontal tubes including effect of tube diameter // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2007. V. 50. N 25-26. P . 5 2 1 5 – 5 2 2 5 . https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.06.019

7. Bertsch S.S., Groll E.A., Garimella S.V. A composite heat transfer correlation for saturated flow boiling in small channels // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. V. 52. N 7-8. P. 2110–2118. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.10.022

8. Yan C., Wei C., Zhang S.S. Research on the flow boiling characteristics of water in a multi-furcated tree-shaped mini-channel // Advanced Materials Research. 2013. V. 629. P. 691–698. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.629.691

9. Kuntha U., Kiatsiriroat T. Boiling Heat Transfer Coefficient of R22 refrigerant and its alternatives in horizontal tube: small refrigerator scale // Songklanakarin Journal of Science and Technology. 2002. V. 24. N 2. P. 243–253.

10. Kawahara A., Mansour M.H., Sadatomi M., Law W.Z., Kurihara H., Kusumaningsih H. Characteristics of gas-liquid two-phase flows through a sudden contraction in rectangular microchannels // Experimental Thermal and Fluid Science. 2015. V. 66. P. 243–253. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2015.03.030

11. Shah M. Comprehensive correlation for dispersed flow film boiling heat transfer in mini/macro tubes // International Journal of Refrigeration. 2017. V. 78. P. 32–46. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2017.03.019

12. Mercado M., Wong N., Hartwig J. Assessment of two-phase heat transfer coefficient and critical heat flux correlations for cryogenic flow boiling in pipe heating experiments // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. V. 133. P. 295–315. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.108

13. Goto D., Santoso A., Takehira T., Aslam A., Kawahara A., Sadatomi M. Pressure drop for gas and non-newtonian liquid two-phase flows across sudden expansion in horizontal rectangular mini-channel // Journal of Mechanical Engineering and Automation. 2016. V. 6. N 11–12. P. 51−57. https://doi.org/10.5923/j.jmea.20160603.02

14. Tibiriçá C.B., Ribatski G. Flow boiling heat transfer of R134a and R245fa in a 2.3 mm tube // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. V. 53. N 11-12. P. 2459–2468. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.01.038

15. Ховалыг Д., Бараненко А.В. Методы расчета градиента давления двухфазного потока при течении в малых каналах // Вестник Международной академии холода. 2012. № 1. С. 3–10.

16. Shashwat J., Prasanna J., Sateesh G. Modeling of pressure drop and heat transfer for flow boiling in a mini/micro-channel of rectangular cross-section // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019.V. 1 4 0 . P. 1 0 2 9 – 1 0 5 4 . https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.089

17. Krause F., Schüttenberg S., Fritsching U. Modelling and simulation of flow boiling heat transfer // International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow. 2010. V. 20. N 3. P. 312–331. https://doi.org/10.1108/09615531011024066

18. Малышев А.А., Малинина О.С., Калимжанов Д.Е., Сухов П.С., Куадио К.Ф. Сравнительный анализ расчета теплообмена при внутриканальном кипении хладагентов // Вестник Международной академии холода. 2020. № 1. С. 34–39. https://doi.org/10.17586/1606-4313-2020-19-1-34-39

19. Зайцев А.В. Разработка алгоритма решения уравнений Навье– Стокса для течения криогенной жидкости в трубе // Вестник Международной академии холода. 2011. № 3. С. 37–42.

20. Малышев А.А., Мамченко В.О., Киссер К.В. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков хладагентов: учебно-методическое пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 116 с.

21. Кошелев С.В. Повышение энергоэффективности судовых холодильных машин путем выбора рациональных режимов кипения хладагента в испарителях: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.08.05. Калининград, 2019. 213 с.

22. Земсков Б.Б. Исследование теплообмена и гидродинамики при кипении фреонов в вертикальных каналах сложной формы: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ленинград: ЛТИХП, 1978, 216 с.