1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 12, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 12, стр. 47-64

Гидродинамика и теплообмен при течении двухфазного потока в обогреваемом вертикальном мини-канале при высоких приведенных давлениях

А. В. Беляев a, *, **, Н. Е. Сидельников a, А. В. Дедов a

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

* E-mail: BeliayevAVL@mpei.ru
** E-mail: belyaevalek@yandex.ru

Поступила в редакцию 06.04.2023
После доработки 08.06.2023
Принята к публикации 27.06.2023

Аннотация

Актуальность исследований гидродинамики и теплообмена в мини-каналах обусловлена повышенным интересом к энергетическим системам высокого давления и высокотехнологичным устройствам, в которых используются компактные и эффективные теплообменники с большой плотностью теплового потока. На сегодняшний день активно изучается возможность применять каналы малого диаметра в разных отраслях промышленности, в том числе при производстве теплообменных устройств, в которых в качестве теплоносителя могут использоваться различные диэлектрические жидкости и хладоны при умеренных и высоких значениях приведенных давлений. Тепловые потоки большой плотности целесообразно снимать с помощью процесса кипения как самого эффективного механизма отвода тепла. Для проектирования теплообменных аппаратов, в которых используется процесс кипения, требуются надежные методы расчета теплообмена и потерь давления в двухфазных потоках. Авторами проверена работоспособность известных и наиболее достоверных методов расчета потерь давления и коэффициента теплоотдачи, разработанных для обычных каналов и мини-каналов, в условиях повышенных приведенных давлений – до pr = p/pcr = 0.7. Представлен обзор наиболее известных методов, применимых для каналов различного диаметра (0.16–32 мм), проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными. Эксперименты выполнены при значениях приведенного давления 0.43, 0.56 и 0.70 в диапазоне массовых скоростей G = 200–1000 кг/(м2 · с). Даны описание экспериментальной установки, рабочего участка и порядок проведения эксперимента. Исследования выполнялись с использованием фреона R125 в вертикальном круглом канале внутренним диаметром 1.1 мм и длиной обогреваемого участка 50 мм. При сравнении экспериментальных данных о теплоотдаче с результатами, полученными по рассмотренным в обзоре методам, отмечена хорошая работоспособность тех методов расчета, которые были разработаны для обычных каналов и для конкретных жидкостей в условиях близких к условиям проведенных экспериментов. Потери давления, рассчитанные по гомогенной модели при высоких приведенных давлениях, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Ключевые слова: каналы малого диаметра, высокие приведенные давления, пузырьковое кипение в потоке, двухфазный поток, гидродинамика, теплообмен, коэффициент теплоотдачи, конвекция

Список литературы

  1. Assessment of working fluids, thermal resources and cooling utilities for organic Rankine cycles: State-of-the-art comparison, challenges, commercial status, and future prospects / M.A. Qyyum, A. Khan, S. Ali, M.S. Khurram, N. Mao, A. Naquash, A.A. Noon, T. He, M. Lee // Energy Convers. Manage. 2022. V. 252. P. 115055. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.115055

  2. Hellenschmidt D., Petagna P. Effects of saturation temperature on the boiling properties of carbon dioxide in small diameter pipes at low vapour quality: Heat transfer coefficient // Int. J. Heat Mass Transfer. 2021. V. 172. P. 121094. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121094

  3. Cheng L., Thome J.R. Cooling of microprocessors using flow boiling of CO2 in a micro-evaporator: Preliminary analysis and performance comparison // Appl. Therm. Eng. 2009. V. 29. No. 11–12. P. 2426–2432. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2008.12.019

  4. Characterization and prediction of two-phase flow regimes in miniature tubes / E. Rahim, R. Revellin, J. Thome, A. Bar-Cohen // Int. J. Multiphase Flow. 2011. V. 37. No. 1. P. 12–23. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2010.09.002

  5. Ong C.L., Thome J.R. Macro-to-microchannel transition in two-phase flow. Part 1: Two-phase flow patterns and film thickness measurements // Exp. Therm. Fluid Sci. 2011. V. 35. No. 1. P. 37–47. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2010.08.004

  6. Forced flow boiling of carbon dioxide in horizontal mini-channel / M. Ozawa, T. Ami, H. Umekawa, R. Matsumoto, T. Hara // Int. J. Therm. Sci. 2011. V. 50. No. 3. P. 296–308. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2010.04.017

  7. Critical heat flux at flow boiling of refrigerants in minichannels at high reduced pressure / A.V. Belyaev, A.N. Varava, A.V. Dedov, A.T. Komov // Int. J. Heat Mass Transfer. 2018. V. 122. P. 732–739. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.027

  8. Charnay R., Revellin R., Bonjour J. Discussion on the validity of prediction tools for two-phase flow pressure drops from experimental data obtained at high saturation temperatures // Int. J. Refrig. 2015. V. 54. P. 98–125. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.02.014

  9. Shah M.M. Chart correlation for saturated boiling heat transfer: equations and further study // ASHRAE Trans. 1982. V. 88. No. 1. P. 185–196.

  10. Gungor K.E., Winterton R.H.S. A general correlation for flow boiling in tubes and annuli // Int. J. Heat Mass Transfer. 1986. V. 29. No. 3. P. 315–358. https://doi.org/10.1016/0017-9310(86)90205-X

  11. Kandlikar S.G. A general correlation for two-phase flow boiling heat transfer coefficient inside horizontal and vertical tubes // J. Heat Transfer. 1990. V. 102. No. 1. P. 219–228. https://doi.org/10.1115/1.2910348

  12. Liu Z., Winterton R.H.S. A general correlation for saturated and subcooled flow boiling in tubes and annuli based on a nucleate pool boiling equation // Int. J. Heat Mass Transfer. 1991. V. 34. No. 11. P. 2759–2766. https://doi.org/10.1016/0017-9310(91)90234-6

  13. Charnay R., Revellin R., Bonjour J. Flow boiling heat transfer in minichannels at high saturation temperatures. Part I: Experimental investigation and analysis of the heat transfer mechanisms // Int. J. Heat Mass Transfer. 2015. V. 87. P. 636–652. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.03.081

  14. Lazarek G.M., Black S.H. Evaporative heat transfer, pressure drop and critical heat flux in a small vertical tube with R-113 // Int. J. Heat Mass Transfer. 1982. V. 25. No. 7. P. 945–960. https://doi.org/10.1016/0017-9310(82)90070-9

  15. Tran T.N., Wambsganss M.W., France D.M. Small circular- and rectangular- channel boiling with two refrigerants // Int. J. Multiphase Flow. 1996. V. 22. No. 3. P. 485–498. https://doi.org/10.1016/0301-9322(96)00002-X

  16. Sun L., Mishima K. An evaluation of prediction methods for saturated flow boiling heat transfer in mini-channels // Int. J. Heat Mass Transfer. 2009. V. 52. P. 5323–5329. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.041

  17. Bertsch S.S., Groll E.A., Garimella, S.V. A composite heat transfer correlation for saturated flow boiling in small channels // Int. J. Heat Mass Transfer. 2009. V. 52. No. 7–8. P. 2110–2118. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.10.022

  18. Bertsch S.S., Groll E.A., Garimella S.V. Review and comparative analysis of studies on saturated flow boiling in small channels // Nanoscale Microscale Thermophys. Eng. 2008. V. 12. No. 3. P. 187–227. https://doi.org/10.1080/15567260802317357

  19. Kandlikar S.G. History, advances, and challenges in liquid flow and flow boiling heat transfer in microchannels: A critical review // J. Heat Transfer. 2012. V. 134. No. 3. P. 034001. https://doi.org/10.1115/1.4005126

  20. Mahmoud M.M., Karayiannis T.G. Heat transfer correlation for flow boiling in small to micro tubes // Int. J. Heat Mass Transfer. 2013. V. 66. P. 553–574. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.07.042

  21. Ribatski G. A critical overview on the recent literature concerning flow boiling and two-phase flows inside micro-scale channels // Exp. Heat Transfer. 2013. V. 26. No. 2–3. P. 198–246. https://doi.org/10.1080/08916152.2012.737189

  22. Saturated flow boiling heat transfer: review and assessment of prediction methods / X. Fang, F. Zhuang, C. Chen, Q. Wu, Y. Chen, Y. Chen, Y. He // Heat Mass Transfer. 2019. V. 55. No. 1. P. 197–222. https://doi.org/10.1007/s00231-018-2432-1

  23. Kim S.-M., Mudawar I. Review of databases and predictive methods for heat transfer in condensing and boiling mini/micro-channel flows // Int. J. Heat Mass Transfer. 2014. V. 77. P. 74–97. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.04.035

  24. A state-of-the-art review on flow boiling at high reduced pressures / D.B. Marchetto, D.C. Moreira, R. Revellin, G. Ribatski // Int. J. Heat Mass Transfer. 2022. V. 193. P. 122951. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122951

  25. Saitoh S., Daiguji H., Hihara E. Correlation for boiling heat transfer of R-134a in horizontal tubes including effect of tube diameter // Int. J. Heat Mass Transfer. 2007. V. 50. No. 25–26. P. 5215–5225. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.06.019

  26. Kanizawa F.T., Tibiriçá C.B., Ribatski G. Heat transfer during convective boiling inside microchannels // Int. J. Heat Mass Transfer. 2016. V. 93. P. 566–583. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.09.083

  27. An experimental study of flow boiling in minichannels at high reduced pressure / A.V. Belyaev, A.N. Varava, A.V. Dedov, A.T. Komov // Int. J. Heat Mass Transfer. 2017. V. 110. P. 360–373. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.045

  28. Ягов В.В. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении // Теплоэнергетика. 1988. № 2. С. 4–9.

  29. Gnielinski V. New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow // Int. Chem. Eng. 1976. V. 16. No. 2. P. 359–368.

  30. Stephan K., Abdelsalam M. Heat-transfer correlations for natural convection boiling // Int. J. Heat Mass Transfer. 1980. V. 23. No. 1. P. 73–87. https://doi.org/10.1016/0017-9310(80)90140-4

  31. Cooper M.G. Heat flow rates in saturated nucleate pool boiling – A wide-ranging examination using reduced properties // Adv. Heat Transfer. 1984. V. 16. P. 157–239. https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70205-3

  32. Klimenko V.V. Heat transfer intensity at forced flow boiling of cryogenic liquids in tubes // Cryogenics. 1982. V. 22. No. 11. P. 569–576. https://doi.org/10.1016/0011-2275(82)90003-0

  33. Klimenko V.V., Sudarchikov A.M. Investigation of forced flow boiling of nitrogen in a long vertical tube // Cryogenics. 1983. V. 23. No. 7. P. 379–385. https://doi.org/10.1016/0011-2275(83)90092-9

  34. Клименко А.В., Сударчиков А.М., Клименко В.В. Экспериментальное исследование кризиса кипения вынужденного потока азота в канале при высоких давлениях // Вестник МЭИ. 2005. № 6. С. 135–139.

  35. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

  36. Расчет сопротивления трения двухфазных потоков низкого давления на основе приближенных аналитических моделей / Н.О. Зубов, О.Н. Кабаньков, В.В. Ягов, Л.А. Сукомел // Теплоэнергетика. 2017. № 12. С. 43–57. https://doi.org/10.1134/S0040363617120116

  37. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики: Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. М.: Изд-во МЭИ, 2000.

  38. Two-phase cooling experiments-pressure drop, heat transfer and burnout measurements / A. Cicchitti, C. Lombardi, M. Silvestri, G. Soldaini, R. Zavatarelli // Energy Nucl. 1960. V. 7. No. 6. P. 407–425.

  39. Dukler A.E., Wicks M., Cleveland R.G. Friction pressure drop in two-phase flow // AIChE J. 1964. V. 10. P. 38–43. https://doi.org/10.1002/aic.690100117

  40. Akers W.W., Deans H.A., Crosser O.K. Condensing heat transfer within horizontal tubes // Chem. Eng. Prog. 1958. V. 54. P. 89–90.

  41. Beattie D.R.H., Whalley P.B. A simple two-phase frictional pressure drop calculation method // Int. J. Multiphase Flow. 1982. V. 8. No. 1. P. 83–87.

  42. Yang C.Y., Webb R.L. Friction pressure drop of R12 in small hydraulic diameter extruded aluminum tubes with and without micro-fins // Int. J. Heat Mass Transfer. 1996. V. 39. No. 4. P. 801–809.

  43. Yan Y.Y., Lin T.F. Evaporation heat transfer and pressure drop of refrigerant R-134a in a small pipe // Int. J. Heat Mass Transfer. 1998. V. 41. No. 24. P. 4183–4194. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(98)00127-6

  44. Müller-Steinhagen H., Heck K. A simple friction pressure drop correlation for two-phase flow in pipes // Chem. Eng. Process. 1986. V. 20. No. 6. P. 297–308. https://doi.org/10.1016/0255-2701(86)80008-3

  45. Lockhart R.W., Martinelli R.C. Proposed correlation of data for isothermal two-phase, two-component flow in pipes // Chem. Eng. Prog. 1949. V. 45. No. 1. P. 39–48.

  46. Evaluation of frictional pressure drop correlations for two-phase flow in pipes / Yu Xu, X. Fang, S. Xianghui, Z. Zhanru, C. Weiwei // Nucl. Eng. Des. 2012. V. 253. P. 86–97. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2012.08.007

  47. Friedel L. Improved friction pressure drop correlations for horizontal and vertical two-phase pipe flow // European Two-Phase Group Meet. Ispra, Italy, 1979. Paper E2.

  48. Hwang Y.W., Kim M.S. The pressure drops in microtubes and the correlation development // Int. J. Heat Mass Transfer. 2006. V. 49. No. 11. P. 1804–1812.

  49. Characteristics of two-phase flow pattern transitions and pressure drop of five refrigerants in horizontal circular small tubes / A.S. Pamitran, K.I. Choi, J.T. Oh, P. Hrnjak // Int. J. Refrig. 2010. V. 33. No. 3. P. 578–588. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2009.12.009

  50. Sun L., Mishima K. Evaluation analysis of prediction methods for two phase flow pressure drop in mini-channels // Int. J. Multiphase Flow. 2009. V. 35. P. 47–54. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2008.08.003

  51. Steiner D. Heat transfer to boiling saturated liquids // VDI-Wärmeatlas (VDI Heat Atlas), Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gessellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GCV), Düsseldorf, Germany, 1993.

  52. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал