«Исследование процесса теплообмена при кипении холодильного агента в испарителе бытового холодильника»

1. Цель и задачи лабораторной работы

1.1. Ознакомиться с основными рабочими процессами в холодильном агрегате двухкамерного холодильника «Минск-22».

1.2. Изучить методы расчета коэффициента теплопередачи при кипении холодильного агента в испарителе бытового холодильника.

1.3. Освоить методику и приобрести исследовательские навыки по измерению температуры с помощью измерителя – регулятора универсального ТРМ 138.

1.4. Произвести расчеты коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при кипении хладагента в испарителе.

2. Оборудование и измерительные приборы

Контрольно-измерительный комплекс предназначен для определения следующих параметров качества компрессионных холодильников:

• измерения температуры Т_км в центре низкотемпературной камеры и температуры стенки испарителя на входе и выходе Т_с2 и Т_с2;

• потребляемой компрессором мощности и силы тока;

• давления на стороне всасывания и нагнетания.

2.1. В качестве датчиков температуры применены хромель-копелевые термопары, показания которых автоматически регистрируются универсальным восьмиканальным измерителем – ТРМ 138. Интервал измеряемых температур: от -50 С до 100 С. Запись температур – дискретная, через 5 или 20 секунд.

2.2. Измерительный комплекс К-505, позволяет измерять подаваемое напряжение, потребляемую компрессором мощность и силу тока. В электрической схеме стенда установлен ЛАТР, позволяющий корректировать величину подаваемого напряжения.

3. Методика расчета коэффициента теплопередачи при кипении холодильного агента в испарителе

Испарители бытовых холодильников предназначены для кипения холодильного агента внутри трубопроводов. В процессе кипения хладагента происходит отвод теплоты от охлаждаемого объема и в результате осуществляется охлаждение воздуха и продуктов в камерах холодильника.

В испарителях бытовых холодильников отвод теплоты от охлаждаемого объема камеры происходит за счет передачи теплоты от воздуха в камере холодильному агенту, находящемуся внутри трубопровода, через стенку испарителя.

К

(1)

оэффициент теплопередачи испарителя вычисляется из уравнения:

где

α1и	-	коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности каналов испарителя;
α2и	-	коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности испарителя;
Е	-	коэффициент эффективности оребрения;
δи	-	толщина стенки каналов испарителя;
λи	-	коэффициент теплопроводности стенки испарителя;
Ψи	-	коэффициент оребрения испарителя.

(2)

где F'_и - площадь внутренней поверхности каналов испарителя.

З начение коэффициента теплопроводности стенки для алюминиевых испарителей в диапазоне температур от 263 до 243 К находятся в пределах λ_и = 200 ÷ 203 Вт/м К.

Коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности испарителя рассчитывается для пузырькового режима течения парожидкостной смеси хладагента в процессе кипения из уравнения (3)

(3)

где

о, о	-	плотность соответственно жидкого и парообразного хладагента при температуре кипения То;
λо	-	коэффициент теплопроводности жидкого хладагента при температуре То;
о	-	коэффициент кинематической вязкости жидкого хладагента при температуре То;
δо	-	коэффициент поверхностного натяжения жидкого хладагента на границе с насыщенным паром;
q1и	-	плотность теплового потока.

З начения теплофизических параметров хладагента при температуре кипения определяются из приложения 1. Коэффициент поверхностного натяжения для хладагента R12 при Т_о = 243 К составляет δ_о = 16,7 10^-3 Н/м, при Т_о = 273 К - δ_о = 12,0 10^-3 Н/м, для промежуточных значений Т_о δ_о вычисляется методом линейной интерполяции.

Плотность теплового потока в процессе кипения хладагента определяется по формуле:

(4)

где

и	-	средняя скорость парожидкостной смеси хладагента в испарителе;
d1и	-	внутренний диаметр каналов испарителя;
Тс1	-	температура внутренней стенки испарителя;
А	-	коэффициент, зависящий от температуры кипения хладагента.

Средняя скорость потока хладагента определяется из условия неразрывности потока:

(5)

где _и - средний удельный объем хладагента в испарителе.

(6)

где

1 , 2	-	удельный объем хладагента в начале и конце процесса кипения;
Хи	-	среднее значение массового расходного паросодержания хладагента в процессе кипения, для расчетов в донной лабораторной работе принимается Хи = 0,5.

Коэффициент А для хладагента R12 в диапазоне температур кипения Т_о = 243  263 К вычисляется из соотношения (7):

(7)

Вследствие высокой теплопроводности материала стенки испарителя разность температур (Т_с1 - Т_о) рекомендуется задавать равным 0,8 К. При выполнении данной лабораторной работы экспериментально измеряется температуры наружной стенки испарителя на входе и выходе хладагента Т_с2 и Т_с2, а значение температур Т_с2, Т_с1 и Т_о рассчитываются из соотношений:

(8)

(9)

(10)

В связи со сложным характером теплообмена между воздухом и наружной поверхностью испарителя, обусловленным одновременно протекающими процессами конвективного теплообмена и теплообмена излучением, коэффициент теплоотдачи на наружной оребренной поверхности испарителя складывается из двух составляющих:

(11)

где

2к	-	коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности испарителя, учитывающий влияние конвективного теплообмена;
2л	-	коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности испарителя, учитывающий влияние лучистого теплообмена.

Средняя величина конвективной составляющей коэффициента теплоотдачи _2к при свободной конвекции воздуха у поверхности испарителя рассчитывается по уравнению (12):

(12)

где

Nuи	-	критерий Нуссельта;
d2и	-	наружный диаметр каналов испарителя;
Ткм	-	заданная температура воздуха в камере;
Тс2	-	температура наружной поверхности испарителя;
и	-	коэффициент теплопроводности влажного воздуха, определяемый из приложения 2 при температуре:

(13)

где

Prв	-	число Прандтля для воздуха при температуре Тw (приложение 2), характеризующее соотношение молекулярных свойств в процессе переноса теплоты;
Cr	-	число Грасгофа, характеризующее эффективность подъемной силы, вызывающей свободную конвекцию воздуха.

(14)

где

g	-	ускорение свободного падения;
=1/ Ткм	-	температурный коэффициент объемного расширения воздуха;
в	-	коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре Тw (приложение 2).

Лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи _2л рассчитывается на основе закона Ньютона-Рихмана:

(15)

где q_2л плотность теплового потока на наружной поверхности испарителя.

Величина плотности теплового потока вычисляется из уравнения (16):

(16)

где

	-	постоянная Стефана-Больцмана,  = 5,67 10^-8 Вт/м^2К^4;
с	-	коэффициент полного нормального излучения поверхности, в расчетах принимается равным с = 0,9;
в	-	коэффициент полного нормального излучения влажного воздуха, принимается, в среднем, равным в = 0,3.

После расчета коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности испарителя по уравнению (1) вычисляется значение коэффициента теплопередачи К_и.