Теплоэнергетика, 2023, № 11, стр. 26-41
Моделирование процессов конденсации хладона R113 в горизонтальной трубе методом VOF
Г. Г. Яньков a, b, О. О. Мильман a, c, К. Б. Минко b, *, В. И. Артемов a, b
a Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского
248023 г. Калуга, ул. Степана Разина, д. 26, Россия
b Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия
c НПВП “Турбокон”
248010 г. Калуга, ул. Комсомольская Роща, д. 43, Россия
* E-mail: minkokb@gmail.com
Поступила в редакцию 14.04.2023
После доработки 17.05.2023
Принята к публикации 01.06.2023
Полные тексты статей выпуска доступны в ознакомительном режиме только авторизованным пользователям.
Аннотация
Представлены результаты численного анализа конденсации паров хладона R113 в горизонтальной круглой трубе типоразмером 38 × 3 мм в диапазоне массовых скоростей от 50 до 150 кг/(м2 ⋅ с). И-сследования особенностей гидродинамики и теплообмена при расслоенном и расслоенном волновом режимах течения конденсата остаются по-прежнему актуальными ввиду недостаточной их изученности. Так, согласно недавно появившимся данным, интенсивности теплоотдачи в зоне, занятой ручейком, и на участках внутренней поверхности горизонтальной трубы, смоченной тонкой пленкой конденсата, сопоставимы. Поэтому для адекватной оценки реального вклада ручейковой зоны в средний по периметру трубы коэффициент теплоотдачи существующие методики должны быть уточнены. Для моделирования двухфазного потока использовался метод VOF (Volume of Fluid). Интенсивность массообмена рассчитывалась с помощью модифицированной модели Lee, в которой коэффициент релаксации определялся автоматически на основе алгоритма, предложенного авторами настоящей работы в предыдущих публикациях. Для описания турбулентного переноса использовалась версия SST-модели турбулентности Ментера. Модели массообмена, турбулентных течений жидкой пленки и паровой фазы, алгоритмы VOF и реализующие их программные средства были верифицированы на экспериментальных данных по конденсации хладона R113 при опускном течении в вертикальной трубе. Выполнено численное моделирование процессов конденсации и проведено сравнение полученных данных с результатами расчетов по различным методикам, рекомендуемым в литературе. Представлена информация о распределении локальных характеристик по длине и периметру трубы. Отмечено, что при низких значениях массовой скорости [50 кг/(м2 ⋅ с)] на некотором расстоянии от входа в трубу возникает гидравлический скачок (hydraulic jump), приводящий к существенному изменению распределения объемной доли пара по длине канала.
Полные тексты статей выпуска доступны в ознакомительном режиме только авторизованным пользователям.
Список литературы
Rifert V., Sereda V., Solomakha A. Heat transfer during film condensation inside plain tubes. Review of theoretical research // Heat Mass Transfer. 2019. V. 55. Is. 11. P. 3041–3051. https://doi.org/10.1007/s00231-019-02636-8
Heat transfer during film condensation inside plain tubes: Review of experimental research / V. Rifert, V. Sereda, V. Gorin, P. Barabash, A. Solomakha // Heat Mass Transfer. 2020. V. 56. Is. 3. P. 691–713. https://doi.org/10.1007/s00231-019-02744-5
Heat transfer during film condensation inside horizontal tubes in stratified phase flow / V. Sereda, V. Rifert, V. Gorin, O. Baraniuk, P. Barabash // Heat Mass Transfer. 2021. V. 57. Is. 2. P. 251–267. https://doi.org/10.1007/s00231-020-02946-2
Dobson M.K., Chato J.C. Condensation in smooth horizontal tubes // J. Heat Transfer. 1998. V. 120. Is. 1. P. 193–213. https://doi.org/10.1115/1.2830043
El Hajal J., Thome J.R., Cavallini A. Condensation in horizontal tubes. Part 1: Two-phase flow pattern map // Int. J. Heat Mass Transfer. 2003. V. 46. Is. 18. P. 3349–3363. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(03)00139-X
Thome J.R., El Hajal J., Cavallini A. Condensation in horizontal tubes. Part 2: New heat transfer model based on flow regimes // Int. J. Heat Mass Transfer. 2003. V. 46. Is. 18. P. 3365–3387. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(03)00140-6
Shen S., Wang Y., Yuan D. Circumferential distribution of local heat transfer coefficient during steam stratified flow condensation in vacuum horizontal tube // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 114. P. 816–825. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.042
Prediction of effective heat transfer coefficients for vapour condensation inside horizontal tubes in stratified phase flow / V. Sereda, V. Rifert, V. Gorin, P. Barabash // Energetika. 2023. V. 68. Is. 1. P. 97–106. https://doi.org/10.6001/energetika.v68i1.4861
Hirt C.W., Nichols B.D. Volume of fluid (VOF) method for dynamics of free boundaries // J. Comput. Phys. 1981. V. 39. P. 201–225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
Минко К.Б., Артемов В.И., Клементьев А.А. Моделирование методом VOF процессов конденсации неподвижного и движущегося насыщенного пара на поверхности горизонтальной трубы // Теплоэнергетика. 2023. № 3. С. 20–39. https://doi.org/10.56304/S0040363623030050
Lee W.H. A pressure iteration scheme for two-phase flow modeling // Multiphase Transport Fundamentals, Reactor Safety, Applications. Hemisphere Publishing, Washington DC, 1980.
Kharangate C.R., Mudawar I. Review of computational studies on boiling and condensation // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 108. Part A. P. 1164–1196. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.065
Моделирование процессов конденсации хладонов в вертикальных трубах методом VOF / К.Б. Минко, В.И. Артемов, Г.Г. Яньков, А.В. Птахин // Теплоэнергетика. 2023. № 7. С. 70–87. https://doi.org/10.56304/S0040363623070044
Numerical study on R32 flow condensation in horizontally oriented tubes with U-bends / Z. Cao, H. Zhang, H. Mei, G. Yan, W. Chu, Q. Wang // Energies. 2022. V. 15. Is. 13. P. 4799.
Hossain Md. A., Onaka Y., Miyara A. Experimental study on condensation heat transfer and pressure drop in horizontal smooth tube for R1234ze(E), R32 and R410A // Int. J. Refrig. 2012. V. 35. Is. 4. P. 927–938. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2012.01.002
Shah M.M. A general correlation for heat transfer during film condensation inside pipes // Int. J. Heat Mass Transfer. 1979. V. 22. Is. 4. P. 547–556. https://doi.org/10.1016/0017-9310(79)90058-9
Numerical study on condensation heat transfer of R290 inside a 4-mm-ID horizontal smooth tube / Y. Dai, S. Zhu, Y. Gui, S. Zou // J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 2022. V. 44. Is. 1. P. 2. https://doi.org/10.1007/s40430-021-03313-w
Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32. P.1598–1605.
Reddy N.V.S.M., Satyanarayana K., Venugopal S. Influence of saturation temperature on pressure drop during condensation of R-134a inside a dimpled tube: A numerical study // Theor. Found. Chem. Eng. 2022. V. 56. Is. 3. P. 395–406. https://doi.org/10.1134/S0040579522030125
Noori Rahim Abadi S.M.A., Mehrabi M., Meyer J.P. Numerical study of steam condensation inside a long, inclined, smooth tube at different saturation temperatures // Int. J. Heat Mass Transfer. 2018. V. 126. Part B. P. 15–25. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.136
Noori Rahim Abadi S.M.A., Meyer J.P., Dirker J. Effect of inclination angle on the condensation of R134a inside an inclined smooth tube // Chem. Eng. Res. Des. 2018. V. 132. P. 346–357. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.01.044
Rifert V., Sereda V., Barabash P. Heat transfer performance in heat exchangers with in-tube film condensation. Publishing House “European Scientific Platform”, 2022. https://doi.org/10.36074/hrpihewitfc-monograph.2022
Van Rooyen E. Time-fractional analysis of flow patterns during refrigerant condensation: Thesis … for the degree of Masters in Engineering. Department of Mechanical and Aeronautical Engineering University of Pretoria, 2007.
Jaster H., Kosky P.G. Condensation heat transfer in a mixed flow regime // Int. J. Heat Mass Transfer. 1976. V. 19. Is. 1. P. 95–99. https://doi.org/10.1016/0017-9310(76)90014-4
Zivi S.M. Estimation of steady-state steam void-fraction by means of the principle of minimum entropy production // J. Heat Transfer. 1964. V. 86. Is. 2. P. 247–251. https://doi.org/10.1115/1.3687113
Rashwan F.A., Soliman H.M. The onset of slugging in horizontal condensers // The Canadian J. Chem. Eng. 1987. V. 65. Is. 6. P. 887–898. https://doi.org/10.1002/cjce.5450650602
Shah M.M. Improved correlation for heat transfer during condensation in mini and macro channels // Int. J. Heat Mass Transfer. 2022. V. 194. P. 123069. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123069
Shah M.M. Improved general correlation for condensation in channels // Inventions. 2022. V. 7. Is. 4. P. 114. https://doi.org/10.3390/inventions7040114
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Теплоэнергетика