Influence of fins on heat transfer during boiling of an aqueous solution of lithium bromide in the generator of an absorption heat converter

Full Text

Генератор затопленного типа является одним из элементов абсорбционных бромисто-литиевых преобразователей теплоты (АБПТ), в котором осуществляется процесс выпаривания раствора бромида лития. Известно, что для интенсификации теплопередачи в холодильных машинах используют оребренные поверхности теплообмена. Однако в отечественных АБПТ они до настоящего времени не применялись.

Для оценки возможности использования оребренных теплообменных труб в генераторе затопленного типа АБПТ необходимо исследовать влияние оребрения на теплообмен при кипении водного раствора бромида лития.

Цель работы — исследование теплообмена при кипении водных растворов бромида лития различной концентрации на гладкой и оребренной трубах в большом объеме.

На основании коррозионных испытаний различных конструкционных материалов были выбраны трубы, изготовленные из медно-никелевого сплава марки МНЖ-Мц 30- 1 -1 [ 1]: гладкая с наружным диаметром 16 мм и оребренная с таким же наружным диаметром и трапецеидальным профилем ребра. Коэффициент оребрения р = 1,75.

Экспериментальные исследования проводили на стенде, принципиальная схема которого и методика проведения эксперимента описаны в [5].

В качестве рабочих жидкостей использовали растворы бромида лития в воде с концентрацией £ = = 50-65 % и дистиллированную воду.

Условия проведения эксперимента были выбраны в соответствии с режимами работы большинства генераторов затопленного типа АБПТ, а именно:

• для гладкой трубы — давление насыщенных паров р = 9,8 кПа; плотность теплового потока q = = 2...30 кВт/м².
• для оребренной трубы давление насыщенных паров р = 9,8; 19,6; 24,3 кПа; плотность теплового потока q = 5...20 кВт/м².

Зависимость коэффициента теплоотдачи а от плотности теплового потока q при кипении водного раствора бромида лития на гладкой трубе из сплава М НЖ- Мц 30-1-1 представлена на рис. 1 (линия 3). Для сравнения на этом же рисунке даны зависимости вида $a\approx f\left(q\right)$, приведенные в работах [2, 6]. Из сопоставления представленных зависимостей видно, что значения коэффициента теплоотдачи а, полученные авторами, на 25 % меньше, чем в работе [6], и на 35 % больше, чем в работе [2]. Расхождение результатов можно объяснить использованием различных конструкционных материалов и разными диаметрами и толщиной стенок труб.

 

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от плотности теплового потока q при кипении водного раствора бромида лития с концентрацией 60 %, по данным различных авторов: 1 — стальная труба с наружным диаметром dHap = 25 мм [6]; 2 -цилиндр из стали 20 с dHap —  20 мм [2]; 3 — гладкая труба из МНЖ Мц 30-1-1 cdпap = 16 мм

 

Сравнение коэффициентов теплоотдачи при кипении водного раствора бромида лития и воды на гладкой и оребренной трубах из медно-никелевого сплава марки МНЖ-Мц

q, Вт/м2	Гладкая труба	Оребренная труба
	ар Вт/(м2- К)	а2, Вт/(м2 • К)
P = 9,8 кПа; ^ = 0%
10000	1450	1720
15000	1864	2221
20000	2228	2662
P= 9,8 кПа; < = 53,8%
10000	831	964
15000	1069	1245
20000	1278	1492
P- 9,8 кПа; < = 60,3%
10000	745	860
15000	958	1111
20000	1146	1331

Примечание, - расчет по зависимости (1); а, - расчет по зависимости (2).

 

Сравнение коэффициентов теплоотдачи при кипении водного раствора бромида лития и воды на гладкой и оребренной трубах из медно-никелевого сплава марки МНЖ-Мц 30-1-1 представлено в таблице и на рис. 2. Значения коэффициентов теплоотдачи при кипении на оребренной трубе на 15—20 %выше, чем на гладкой.

 

Рис. 2. Сравнение экспериментальных данных при кипении водного раствора бромида лития на гладкой и оребренной трубах

 

Рис. 3. Обобщение опытных данных при кипении водного раствора бромида лития на гладкой трубе из медно- никелевого сплава марки МНЖ-Мц 30-1-1

При обобщении экспериментальных данных была получена следующая эмпирическая зависимость для кипения водных растворов бромида лития и воды на гладкой трубе:

а = 4,8q^0.62(1 -$\xi$)⁰’⁷²,                     (1)

где q — плотность теплового потока, Вт/м²;

$\xi$ — массовая доля бромида лития в растворе, кг/кг.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений представлено на рис. 3. Относительная погрешность не превышает 12 %.

Эмпирическая зависимость для а при кипении водных растворов бромида лития и воды на оребренной трубе имеет вид

а = 2,68q⁶³р^0.29(1 — $\xi$)⁰’⁷⁵,      (2)

где р — давление насыщенных паров, кПа.

Сравнение опытных данных с результатами расчета по зависимости (2) приведено на рис. 4. Максимальная относительная погрешность составляет 18 %.

Были получены также частные зависимости для кипения на оребренной трубе воды

а = 2,37q⁶⁴р⁰’²⁹       (3)

и водного раствора бромида лития

а = 0,44q^0.64p^0.30 $\xi$^-2.0.  (4)

Диапазон изменения концентрации в уравнении (4) — от 50 до 65 %.

Расхождение экспериментальных данных с рассчитанными по уравнениям (3) и (4) не превышает 9 %.

Из формул (2) и (4) следует, что концентрация раствора оказывает существенное влияние на коэффициент теплоотдачи.

Связь между коэффициентом теплоотдачи и плотностью теплового потока хорошо аппроксимируется логарифмической прямой с показателем степени q от 0,6 до 0,7 [3]. Для массовых расчетов в работе [4] его предлагается принимать равным 2/3.

 

Рис. 4. Обобщение опытных данных при кипении дистиллированной воды и водного раствора бромида лития на оребренной трубе из медно-никелевого сплава марки МНЖ-Мц 30-1-1

 

В работе [6] для описания процесса теплообмена при кипении в большом объеме водных растворов бромида лития и хлорида лития предлагается следующая эмпирическая зависимость, описывающая данный процесс с хорошей степенью приближения:

a = Aqⁿ, (5)

где n ~ 0,63 - среднее значение показателя степени для растворов бромида и хлорида лития.

Для чистых поверхностей следует принимать значения п = 0,7, а для загрязненных п = 0,6.

Значения коэффициента А и показателя степени п зависят также от концентрации раствора и парциального давления над раствором. Так, например, поданным работы [6], для раствора бромида лития при уменьшении парциального давления от 101 до 13,7 кПа значение коэффициента А увеличивается от 1,71 до 2,34, а при изменении концентрации раствора от 10 до 50 % показатель степени п уменьшается от 0,8 до 0,7.

По данным работы [2], показатель степени и в зависимости вида $a\approx f\left(q^n\right)$ в области пузырькового кипения близок к 1 при кипении как чистой воды, так и растворов бромида лития.

Таким образом, применение оребренных труб увеличивает коэффициент теплоотдачи со стороны раствора на 15—20 %, что позволит интенсифицировать процесс теплопередачи в генераторе. С учетом коррозионных исследований [1], а также приведенных экспериментальных данных по теплообмену трубы с оребренным профилем можно рекомендовать при изготовлении генераторов затопленного типа АБПТ.

About the authors

R. M. Minevtsev

St. Petersburg State University of Low Temperature and Food

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

O. V. Volkova

St. Petersburg State University of Low Temperature and Food

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

A. V. Baranenko

St. Petersburg State University of Low Temperature and Food

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files