1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 11, 2023

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

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.

Ключевые слова: конденсация, хладон R113, горизонтальная труба, численное моделирование, метод VOF, модифицированная модель Lee, гидравлический скачок

Список литературы

  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. Lee W.H. A pressure iteration scheme for two-phase flow modeling // Multiphase Transport Fundamentals, Reactor Safety, Applications. Hemisphere Publishing, Washington DC, 1980.

  12. 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

  13. 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

  14. 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.

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32. P.1598–1605.

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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.

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал