Автореферат (Теплообмен при кипении многокомпонентных рабочих тел, используемых в низкотемпературных установках)

На правах рукопuсuДОЛХtИКОВ АНТОН СЕРГЕЕВИ1IТЕПЛООБМЕН ПРИ КИIIЕНИИ МНОГОКОМIIОНЕНТНЫХ РАБОЧИХТЕЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВКАХСпециальностъ 05.04.0З- Машиныи аIшараты, процессы холодилъной икриогенЕоЙ техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечениrIАвторефератдиtсертацип ýа еоЕскание учевой етеIIеЕикандидата т8хппческих наукlVIocKBa-2017Работа выпоJIнена Еа кафедре низкихтемкератур федералъногогосударствеЕного бюджетного образовательного }п{реждеЕI,IJI высшегообразования <<НационаJIьный исследовательский университет (d{ЭI,Ъ}Научный руководитель:Могорычный Владимир ИвановичкандI4дат технических Еаук, старший науrныйсотрудник, доцент кафедры низких температурФГБОУ ВО <НационаJIьный исследовательскийуниверситетОфициальные<<МЭИ>>Семенов Впкгор ЮрьевичоппонеIIты;доктор техЕиIIеских наук, lrачальник лабораториикриогеннъIк технологий, безопаснOсти ишроцессов разделениrl газов IIАО <<Криогенмаш}Гопчацюва Галина Юрьевнадоктор технических HEtyK, профессор кафедрыхолодилъной и криогенной техники, оистемкондициоýированшI и жизнеобесгrечения ФГБОУВО кМосковский государственный техническийуниверситет им.

Н.Э. Бауплана (националъныйисследовательский уýиверситет)>>Ведущая организация:ООО <<Наутно-исследовательский институтприроднъD( газов и I,tlзoвыxвниигАз>технологий-Защита диссертации состоится 16 февраля 2018 г. в 11 часов 45 мин. назаседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО (НИУd\4ЭИ> по адресу: 111250, г. Москво, уп. Красноказарменная, д.

17, корпус Т,ауд. Т-209.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО (НИУна сайте www. mреi.ru.Автореферат разослан(20117<<МЭИ>>иr.Отзывы на автореферат (в двух экземrrпярах) с подписями, заверенные печатьюМосква, ул.учреждениrr, просим направjIять по адресу: 111250,, д.\7, Ученый совет ФГБОУ ВО кНИУ кМЭИ>.г.д212.t 57.04А.К. ЯстребовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыВ последние годы наблюдается возрастание интереса к использованиюмногокомпонентных рабочих тел в низкотемпературных установках. Этосвязано во многом с запретом на использование ряда хладагентов,подпадающих под действие Монреальского и Киотского протоколов, иактивным поиском веществ, способных их заменить.

А также тем фактом, чтово многих случаях использование смесей позволяет повысить энергетическуюэффективность низкотемпературных систем. Однако, расчет рекуперативноготеплообменника таких систем опирается, главным образом, на эмпирическиезависимости, которые не позволяют разработать оптимальную конструкциютеплообменника.

Отчасти это связано с тем, что процесс кипения смесейнедостаточно изучен, вследствие чего на данный момент отсутствуютсоотношения, позволяющие прогнозировать коэффициент теплоотдачи впроцессе кипения многокомпонентных рабочих тел. Недостаток подробныхэкспериментальных данных по коэффициенту теплоотдачи при кипениисмесей, ставит вопрос о необходимости проведения опытов и расширения базыэкспериментальных данных.Цели и задачиДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованиютеплообмена в процессе кипения многокомпонентных рабочих тел,используемых в низкотемпературных установках, при их вынужденномтечении в горизонтальной обогреваемой трубе.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: Проектирование и монтаж экспериментального стенда для исследованиятеплообмена в процессе кипения многокомпонентных рабочих тел; Апробация методики определения коэффициента теплоотдачи при кипениисмесей; Проведение серии экспериментов по исследованию теплообмена в процессекипения многокомпонентных рабочих тел; Обработка и анализ полученных экспериментальных данных.Научная новизна работыПолучены новые экспериментальные данные по теплоотдаче при кипениимногокомпонентных смесей: углеводородных (метан, этилен, пропан, изобутан)и фреоновых (R-14, R-23, R-22, R-236fa), при их вынужденном течении вгоризонтальной обогреваемой трубе.Практическая ценность работыПредполагается, что полученные экспериментальные данные помогут лучшепонять механизмы теплоотдачи в двухфазных системах.

Эти результаты могут3 быть использованы для проверки существующих соотношений, либопослужить основой для создания новых, путем включения в них эмпирическихконстант.Достоверность результатов работыДостоверность полученных результатов и обоснованность выводовдиссертационной работы обеспечивается и подтверждается: Тщательной проработкой методов измерения, использованием дублирующихметодов измерения, результатами анализа погрешностей измерений; Своевременной поверкой используемой аппаратуры, предварительнойтарировкой всех используемых первичных датчиков; Системой автоматического сбора информации, которая позволяет быстро инадежно снимать большое количество первичных измерений; Воспроизводимостью результатов эксперимента и согласованностью их симеющимися в литературе данными, полученными в близких условиях.Положения, выносимые на защиту1.Конструкция экспериментального стенда и методика определениякоэффициента теплоотдачи при кипении многокомпонентных смесей;2.Результаты экспериментальных исследований теплообмена при кипениимногокомпонентных смесей: углеводородных (метан, этилен, пропан,изобутан) и фреоновых (R-14, R-23, R-22, R-236fa), при их вынужденномтечении в горизонтальной обогреваемой трубе.Личный вклад автораАвторомдиссертациисозданэкспериментальныйстендсавтоматизированнойсистемойсбораиобработкиинформации,предназначенный для исследования теплообмена в процессе кипениямногокомпонентных рабочих тел при их вынужденном течении в трубе.Проведены экспериментальные исследования теплообмена при кипенииуглеводородных и фреоновых смесей для условий вынужденного течения вгоризонтальной трубе.

Выполнена обработка полученных экспериментальныхданных и произведено их сравнение с расчетными значениями, полученными изразличных соотношений.ПубликацииОсновные результаты и положения диссертационной работы изложены в 7публикациях, из них 2 в рецензируемых журналах из списка ВАК, 5 работ всборниках трудов и тезисов конференций.Структура и объем диссертацииДиссертация общим объемом 110 страниц состоит из введения, четырех глав,заключения, списка условных обозначений, списка цитируемых источников иприложений.

Список цитируемых источников составляет 79 наименований.4 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобосновываетсяактуальностьтемыдиссертации,сформулированы цели, выделены научная новизна и практическая значимостьработы.В первой главе приведен обзор современного состояния исследований потематике диссертационной работы. Раздел 1.1 посвящен количественнымхарактеристикам, используемым для описания двухфазных потоков. В разделе1.2 приведен обзор результатов работ других авторов по исследованиютеплообмена при кипении многокомпонентных смесей. Отмечено, что наданный момент существует мало работ, посвященных данной тематике. Раздел1.3 посвящен описанию существующих соотношений, позволяющихпрогнозироватькоэффициенттеплоотдачи(КТО)прикипениимногокомпонентных рабочих тел. В конце главы приведены выводы.Во второй главе представлено описание методики проведения исследованийи подробная конструкция экспериментального стенда, используемого дляопределения коэффициента теплоотдачи при кипении многокомпонентныхсмесей.

Кроме того, приводится описание процедуры поверки установки ианализ неопределенностей эксперимента.Для получения экспериментальных данных автором работы созданэкспериментальный стенд, построенный на базе дроссельной холодильноймашины. Принципиальная схема экспериментальной установки представленана рисунке 1. Основными частями установки являются компрессорный блок инизкотемпературная камера. Компрессорный блок состоит из компрессора,сжимающего поток рабочего тела; маслоотделителя, возвращающего маслообратно в компрессор из потока рабочего тела; конденсатора, охлаждающегопоток рабочего тела перед входом его в низкотемпературную камеру.

Передвходом в компрессор установлен участок измерения расхода. Измерениесостава смеси производится хроматографом.Низкотемпературная камера представляет собой холодильный ларь. Внутринего установлены следующие элементы: рекуперативный теплообменник, вкотором осуществляется регенерация холода: обратный поток охлаждаетпрямой, тем самым улучшая энергетические характеристики цикла; дроссель,на котором снижается давление и, соответственно, происходит охлаждениепотока рабочего тела; нагреватель, с помощью которого регулируетсятемпература потока перед входом в экспериментальный участок;экспериментальный участок, где происходит измерение КТО; испаритель,служащий для поддержания низкой температуры в камере, что позволяетуменьшить теплопритоки к экспериментальному участку. Все элементыустановки, расположенные в низкотемпературной камере, находятся в изоляциииз вспененного каучука.

Установка снабжена системой автоматического сбораинформации, позволяющей сразу сохранять экспериментальные данные накомпьютере. В зависимости от состава смеси и необходимого температурногоуровня, время выхода установки на режим составляет 60 – 90 мин.5 Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки:1 – компрессор; 2 – маслоотделитель; 3 – конденсатор; 4 - рекуперативныйтеплообменник; 5 – дроссель; 6 – нагреватель; 7 – экспериментальный участок;8 – испаритель; 9 – участок измерения расхода; МВА – модуль вводааналоговый; ПИ – преобразователь интерфейса; ПК – компьютер; T – датчиктемпературы; P – датчик давления; ΔP – датчик перепада давленияМетодика определения коэффициента теплоотдачи заключается в том, что кэкспериментальному участку определенной геометрии подводится заданноеколичество тепла, измеряя распределение температур в радиальномнаправлении и температуру потока рабочего тела, из соотношения НьютонаРихмана можно определить значение КТО.Рис.

2. Методика определения коэффициента теплоотдачи:r – радиус; Tвх – температура потока на входе; Твых – температура потока навыходе; Тж – среднее значение температуры потока; Т1, Т2, Т3 – измеренныезначения температур, используемые для получения экстраполированногозначения температуры стенки; Тст – температура стенки; ΔТст-ж – разницатемператур между поверхностью стенки и потоком6 Аналитическое выражение для определения КТО имеет вид:подвαэксп;∆π∆∆ ср∆ ст вх∆ ст выхст(1)срвн наг ;вх ∆ ствых;(2)(3)(4)(5)ствых ;(6);эл(7)подвэлтп ,где F – площадь внутренней поверхности обогреваемого блока; dвн и Lнаг –внутренний диаметр и длина обогреваемого блока, соответственно; ΔTср –средний температурный напор; ΔТст-вх и ΔТст-вых – перепад температур междупотоком рабочего тела и стенкой обогреваемого блока на входе и выходе изнего, соответственно; Qэл – тепловая мощность, выделяющаяся припрохождении электрического тока по проводнику; U и I – значения напряженияи тока, соответственно; Qподв – количество тепла, подводимого к потокурабочего тела; Qтп – теплопритоки к экспериментальному участку.