تحلیل تجربی انتقال حرارت در چگالش R-404 داخل لوله های مارپیچ

STUDENT

DEGREE

YEAR

The performance of heat exchangers can be improved to perform a certain heat-transfer duty by heat transfer enhancement techniques. Helical coiled tubes can be found in many application systems, chemical processing and medical equipment. Helical coils can accommodate a large heat transfer area in a small space, with high heat transfer coefficients and narrow residence. The performance of heat exchangers can be improved by heat transfer enhancement techniques. In general, these techniques can be divided into two groups: active and passive techniques. Due to the curvature of the tubes, as ?uid ?ows through curved tubes, centrifugal force is generated. A secondary ?ow induced by the centrifugal force has signi?cant ability to enhance the heat transfer rate. R-404A is one of the greenhouse gases covered by the Kyoto Protocol. R-404A is largely accepted as a substitute for R-22 in cooling and freezing applications. Both its volumetric refrigerating capacity and saturation pressure values are quite comparable with R-22’s data, making it an interesting alternative. In this thesis, the condensing heat transfer coefficient of alternative HFC R-404A inside helical coiled tube heat exchanger experimentally is investigated. Effects of different coils pitches and curvature radius in different average vapor qualities and mass velocities are iected. The test sections are helically coiled smooth tubes with length 3.20 m outer and inner diameters are 9.52 and 7.52 mm respectively. Diameters of coils are between 8.7 and 15.3 cm and pitches of coils are between 1.5 and 3.5 cm. Heat transfer coefficient and the quality of refrigerant in inlet and outlet of test section are calculated by using energy balance based on the energy rejected from the test section and pre condenser. Totally162 test runs were conducted for condensation of R-404A vapor with three refrigerant mass velocities of 125, 156, 188 kg/m 2 s and different vapor qualities inside helical tube. Data were collected for condensation of R-404A vapor inside helical tubes. The local vapor qualities are measured at the inlet and outlet of test condenser by performing energy balance along the test condenser and vapor quality is assumed to be the average of these two values. In this experimental study, the effect of coil pitch is insensitive and is decreased by increasing mass velocity and average vapor quality. The most enhancements in average heat transfer coefficient were for observed for pitch 1.5 cm. In this study, it was seen that the curvature radius has a remarkable effect on heat transfer coefficient. Morerer, when the pitch is left unchanged with the increment of mass velocity the impact of curvature radius reduction upon the average heat transfer augementation is reduced. Actualy, the most enhancement was achieved at mass velocity 125 kg/m 2 s. This investigation reveals that the increment of average vapor quality and mass velocity of the refrigerant and also the reduction of curvature radius and coiled tube pitch, enhance the heat transfer coefficient. Examining the effect of geometrry, we saw that the effect of curvature is more prominent than the effect of the coiled tube pitch. Finally an empirical correlation was proposed to predict the heat transfer coefficients during condensation of R-404A vapor in the coiled tubes Key Word: Heat transfer coefficient, condensation, coil tube, curvature radius, pitch coil .

با توجه به محدودیت منابع انرژی در جهان و همچنین افزایش هزینه استفاده از انرژی در سال های اخیر، تحقیق در زمینه ی انرژی با هدف کاهش مصرف آن در فرآیند های مختلف مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا در زمینه انتقال حرارت تلاش های وسیعی جهت ایجاد مبدل های حرارتی فشرده تر و پر بازده تر با وزن و اندازه ی کمتر و در نتیجه ارزانتر صورت گرفته است. یکی از انواع مبدل ها، مبدل های حرارتی با لوله های مارپیچ است که کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف از قبیل صنایع شیمیایی، نیروگاه ها، صنایع غذایی، دارویی و... دارد. گاز R-404A یک گاز غیر مخرب لایه ازن می باشد که برای جایگزینی گازهای R-12، R-22،R-502 در کاربردهای دما پایین و کاربردهای دما متوسط مانند فریزرهای فروشگاهی، ماشین های حمل موارد غذایی تولید شده است. با توجه به اینکه مطالعات انجام شده درمورد تاثیر پیچش و گام لوله های مارپیچ بر میزان انتقال حرارت در چگالش مبردهای مختلف با یکدیگر تفاوت دارند و هیچ گونه مطالعه ای در مورد مبرد R-404A گزارش نشده است به بررسی انتقال حرارت تجربی این مبرد تحت تاثیر عامل های موثر مانند شعاع انحنا، گام پیچه، کیفیت بخار و سرعت جرمی پرداخته شد. در دستگاه آزمایش مورد استفاده ابتدا گاز درکمپرسور متراکم شده و پس از عبور از شیر برقی وارد پیش کندانسور می گردد. برای خنک کاری یا گرمایش مبرد در سیکل تراکمی از آب به صورت جریان مخالف استفاده گردید. وظیفه پیش کندانسور کنترل کیفیت بخار ورودی به کندانسور آزمایش به کمک افزایش یا کاهش دبی جریان عبوری آب می باشد. به کمک موازنه انرژی (میزان حرارت دفع شده به کمک آب) کیفیت بخار خروجی از آن تعیین گردیده، وارد کندانسور آزمایش می گردید. ضریب انتقال حرارت و کیفیت بخار در خروج از مبدل مورد آزمایش بر اساس اصل موازنه انرژی خروجی از پیش کندانسور و کندانسور اصلی مورد محاسبه قرار گرفت. پس از آن برای زیر سرد سازی وارد کندانسور ثانویه می شود. وظیفه کندانسور ثانویه چگالش کامل مبرد قبل از ورود به روتامتر و افزایش کارایی شیر انبساط می باشد. دبی جرمی عبوری از کندانسور آزمایش به کمک شیر تنظیم دبی و با توجه به روتامترمورد استفاده، تعیین می گردید. مبرد عبوری از شیر انبساط وارد اواپراتورگردیده و عمل تبخیر صورت می گرفت. برای اندازه گیری دمای سطح لوله مارپیچ و دمای آب ورودی و خروجی به کندانسورها ، ترموکوپل هایی از نوع J و ترمومتر کالیبره شده با دقت ?1/0 استفاده شد. لازم به ذکر است تمام کندانسورها برای حداقل کردن نشت حرارتی و ایجاد خطا عایق گردیدند. آزمایش ها در سه سرعت جرمی 125، 156و kg/m 2 s 188 صورت گرفت. لوله های مارپیچ با شعاع های انحنای متفاوت بین 35/4 تا cm65/7 و گام های بین cm5/1 تا cm5/3 ساخته شدند. در مجموع 162 آزمایش انجام گردید. دمای سطح خارجی لوله از مقدار میانگین ترموکوپل هایی که روی سطح لوله آزمایش قرار داشت، بدست آمد. کیفیت موضعی در ورود و خروج به هر کندانسور با استفاده از موازنه انرژی محاسبه شد و کیفیت بخار کندانسور آزمایش از میانگین کیفیت های ورودی و خروجی از کندانسور اصلی بدست آمد. آنالیز خطای آزمایش ها نشان داد که میزان خطا برای تمام آزمایش ها کمتر از %65/9± بود. بر اساس بررسی تجربی حاضر در خصوص انتقال حرارت چگالشی در لوله های مارپیچ با شعاع های انحنای مختلف دیده شد که تغییرات شعاع انحنای لوله تاثیر زیادی بر ضرایب انتقال حرارت چگالشی دارد به صورتی که در سرعت های جرمی و کیفیت های پایین‌ بخار، این تغییرات چشمگیرتر است. بیشترین ضریب انتقال حرارت چگالشی در کیفیت های بالای بخار، درشعاع لولهcm 35/4 اتفاق می‌افتد که نسبت به شعاع cm65/7 در سرعت جرمی یکسان از افزایش % 42 ضریب انتقال حرارت برخوردار است. با افزایش دبی جرمی یا کیفیت بخار تاثیرکاهش شعاع انحنا در افزایش ضریب انتقال حرارت کاهش می یابد به طوری که بیشترین افزایش متوسط ضریب انتقال حرارت در سرعت جرمی kg/m 2 s 125 و به میزان % 45 برای متوسط ضریب انتقال حرارت شعاع انحنایcm 35/4 به شعاع انحنای cm56/7 بود. دلیل این امر آن است که افزایش سرعت بیشتر تحت تاثیر افزایش کیفیت یا افزایش دبی جرمی است. واژه های کلیدی: افزایش انتقال حرارت، جریان چگالشی، لوله مارپیچ، شعاع لوله، گام لوله.