Flow boiling of pure refrigerants and binary refrigerant mixtures in a horizontal tube [Elektronische Ressource] / von Ali A. Rabah

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 26
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Flow boiling of pure refrigerants and binary
refrigerant mixtures in a horizontal tube
Vom Fachbereich Maschinenbau
der Universit at Hannover
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
genehmigte
Dissertation
von
MSc. Ali A. Rabah
geboren am 1. Januar 1967 im Sudan
2003ii
1. Referent: Prof. Dr.-Ing. S. Kabelac
2.t: Prof. D. Mewes
Vorsitz der Prufungsk? ommission: Prof. Dr.-Ing. R. Braune
Tag der Promotion: 02. Juni 2003iii
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand w ahrend meiner T atigkeit als wissenschaftlicher Mitar-
beiter am Institut fur? Thermodynamik der Universit at Hannover.
Herrn Professor Dr.-Ing. S. Kabelac, dem ehemaligen Institutsleiter und dem Leiter des
Instituts fur? Thermodynamik der Universit at der Bundeswehr Hamburg, danke ich fur?
die Anregung und die großzugige? F orderung der Arbeit.
Herrn Professor Dr.-Ing. D. Mewes, dem Leiter des Instituts fur? Verfahrenstechnik
?der Universit at Hannover danke ich fur? die Ubernommene des Korreferats. Fur? die
?Ubernahme des Vorsitzes der Prufungsk? ommission danke ich Herrn Professor Dr.-Ing.
R. Braune, dem Leiter des Instituts fur? Getriebetechnik der Universit at Hannover.
Ein besonderer Dank gilt den Kollegen und Mitarbeiten des Instituts, Studienarbeitern
und wissenschaftlichen Hilfskr aften. Die konstruktive und angenehme Atmosph are am
Institut habe ich sehr zu sch atzen gelernt.
Meine Familie, insbesondere meiner Frau Sumya und meiner Tochter Sarah danke ich
herzlich dafur,? dass sie mich immer unterstutzt? haben.
Dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) danke ich fur? die finanzielle
Unterstutzung.?
Hannover, im Juni 2003
Ali A. Rabahiv
Abstract
Thereductioninchlorofluorocarbons(CFCs)andhydrochlorofluorocarbons(HCFCs)pro-
duction and the scheduled phase-out of these ozone-depleting refrigerants have called for
the development of environmentally safe refrigerants for use in air conditioning and re-
frigeration equipments. The demand for replacement of CFCs and HCFCs has led to the
renewed interest in the natural fluids (hydrocarbons) and the development of new non-
ozone depleting refrigerants based on hydrofluorocarbons (HFCs) and mixtures of HFCs
and natural fluids. Thermodynamic data are available but there is a lack of information
on the flow boiling heat transfer characteristics of the newly developed refrigerants.
In the present study the flow boiling characteristics of a pure 1,1,1,2-tetraflouroethane
(R134a) and binary R134a/propane (R290) mixtures have been studied. The mixture
ebulk compositions covered the zeotropic region and azeotropic point; 0 <z• 65 mole %
R290. The R134a/R290 mixture has an azeotrope at 65 mole % R290.
The experimental setup employs a plain horizontal tube of 10 mm in diameter and of 500
mm in length. The test tube is heated not by the conventional mean of electrical energy
dissipation but via a condensing steam of ammonia on the outside of the horizontal tube.
Thus the thermal boundary condition of constant wall temperature rather than the
conventional one of a constant heat flux may be assumed. The experiments were carried
–out at low saturation temperatures (-40• T • 5 C) for a wide range of mass fluxess
2(50•m˙ • 400 kg/m s) and qualities (0•x˙ •1).
The experimental measurements revealed that the assumption of the thermal boundary
conditionofconstantwalltemperatureisvalidonlyataverylowheatflux. Atarelatively
high heat flux the measured wall temperature is found, however, to possess a profound
cosine profile. Subsequently, the conservation of mass, momentum and energy equations
are numerically solved for the condensate film thickness under both isothermal and non-
isothermal wall temperature. It is found that the film thickness, and thus the angular
heat flux, are strong functions of the cosine wall temperature profiles. However, the
mean heat flux over the perimeter of the tube remained unaffected by the cosine wall
temperature distribution; the solution blended with the original Nusselt’s theory of
film condensation.
The parametric dependency of the flow boiling heat transfer coefficients of R134a and
eR134a/R290 mixtures on the test variables m˙ , x˙, T and concentration x are experimen-s
tally investigated and found to confirm the previous studies. Furthermore, a number of
existing correlations for the prediction of the flow boiling heat transfer coefficients are
fitted to the experimental data of the pure R134a and R134a/R290 mixtures. Besides the
heat transfer coefficient, data on the pressure drop and the flow pattern for both pure
R134a and R134a/R290 mixtures are presented in this work.
Keywords: Flow boiling, R134a, Mixturesv
Kurzfassung
Die gesetzlichen Auflagen zur Verringerung der Produktion von ozonsch adlichen
Kuhlmitteln? wieFluorchlorkohlenwasserstoffe(FCKW)undFluorchlorkohlenstoffe(FCK)
habendieEntwicklungumweltschonenderKuhlmittel? fur? denGebrauchinKlimaanlagen-
und Abkuhlungsausr? ustungen? erfolderlich gemacht. Die Nachfrage nach Ersatzstoffen fur?
FCK und FCKW hat das erneuerte Interesse an den naturlic? hen Fluiden (Kohlenwasser-
stoffe)gewecktundzuderEntwicklungvonneuennichtozonsch adigendenKuhlmitteln,? die
aufFluorkohlenwasserstoffe(FKW)basieren, sowieGemischenausFKWundnaturlic? hen
Fluiden gefuhrt.? Thermodynamische Daten sind zwar vorhanden, aber es besteht Infor-
mationsbedarf ub? er die W armeub? ertragungseigenschaften beim Str omungssieden dieser
neu entwickelten K altemittel.
In der vorliegenden Arbeit sind die Eigenschaften des Str omungssieden von 1,1,1,2-
Tetraflouroethane (R134a) und der bin aren Gemisch aus R134a und Propan (R290) un-
tersuchtworden. DieZusammensetzungdeshesumfasstedaszeotropeGebietund
eden azeotropen Punkt (0 • z • 65). R134a/R290 hat einen azeotropen Punkt bei 65
Mole % R290.
Die Versuche wurden an einem glatten waagerechres Rohr mit 10 mm Durchmesser und
500 mm L ange durchgefuhrt.? Das horizontale Rohr wurde nicht elektrisch, sondern durch
FilmkondensationvonAmmoniakineinemumhullenden? außeren? Rohrebeheizt. Sowurde
als thermische Randbedingung eine konstante Wandtemperatur anstatt einer kon-
stanten W armestromdichte n aherungsweise realiziert. Die Versuche wurden bei tiefen
–Temperaturen (-40•T • 5 C) in einem Parameterbereich der Massenstromdichte vons
2(50•m˙ • 400 kg/m s)) und einem Dampfgehalt von (0•x˙ •1) durchgefuhrt.?
Die Untersuchungen zeigten, dass eine konstante Wandtemperatur als thermis-
chen Randbedingung nur bei sehr niedrigen W armestromdichten gegeben ist. Bei
verh altnism aßig hohen W armestromdichten wird die gemessene Wandtemperatur jedoch
durch ein ausgepr agtes Kosinusprofil dargstellt. Daher werden die Massen-, Impuls- und
Energiegleichungen fur? die Kondensatschichtst arke numerisch sowohl fur? die isotherme-
alsauchfur? dienichtisothermeWandtemperaturgel ost. Eskonntegezeigtwerden,daßdie
Schichtst arkeundlokaleW armestromdichtestarkvondemkosinusf ormigenWandtemper-
aturprofil abh angt. Die mittlere W armestromdichte blieb ub? er dem Umfang des Rohres
jedoch von der kosinusf ormigen Temperaturverteilung unberuhrt.? Die L osung vermengte
sich mit der ursprunglic? hen Nußelt’sche Theorie der Filmkondensation.
DieAbh angigkeitderW armeub? ertragungskoeffizientenbeimStr omungssiedensvonR134a
sund R134a/R290 mit den den Parametern m˙ , x˙, T und Konzentration xe werden ex-
perimentell untersucht und ausgewertet, um die vorhergehenden Untersuchungen zu
best atigen. Außerdem wurden eine Anzahl von vorhandenen Berechnungsmethoden zur
BerechnungvonW armeub? ertragungskoeffizientenvonR134aundR134a/R290angepasst.
NebendemW armeub?oeffizientenwerdenindieserArbeitDatenbezuglic? hdes
Druckverlustes und den Str omungsformen fur? R134a und R134a/R290 dargestellt.
Schlusselw ? orter : Str omungssieden, R134a, Gemischvi
Table of contents
Nomenclature xi
1 Introduction 1
2 Literature review 3
2.1 Previous experimental work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Heat transfer coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Flow boiling of pure components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Flow boiling of mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Pressure drop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Flow pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Objectives of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Experimental apparatus 21
3.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Test circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Secondary evaporator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.3 Refrigeration cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Measurement techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.4 Flow rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.5 Electrical heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.6 Gas chromatography . . . . . . . . . . .