Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Национальная Академия наук Украины

Институт технической теплофизики

Р Г Б ОД

: О OKI

На правах рукописи

ПИСЬМЕННЫЙ Евгений Николаевич ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИКА ПАКЕТОВ ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ /01.04.14-теплофизика и молекулярная фтика/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев, 1994

Диссертация является рукописью Работа выполнена в Киевском политехническом институте

Официальные оппоненты:

- академик HAH Украины Дыбан Е.П.

- доктор технических наук, профессор Братута Э.Г.

- доктор технических наук Поляков А.Ф.

Ведущая организация:

Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт (ВТИ), г.Москва

Защита состоится «25-« о/с^Г' 19Q4 г< в " " часов . на заседании специализированного совета Д.016.43.01 при Институте технической теплофизики HAH Украины (252057,Киев-57,ул.Желябова,2а).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТТФ HAH Украины Автореферат разослан " се ИТ, 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Н.В.Костенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности, снижения металлоемкости и гаЬаритов тепло-обменного оборудования является примек^ние конвективных поверхностей, выполненных в виде пакетов труб с поперечным оребрением. Этот вид оребрения позволяет максимально развить поверхность теплообме-.на в ограниченных габаритах. Расширение области применения пакетов труб с винтовым и шайбовым оребрением, обусловленное успехами технологии изготовления, привело к расширению диапазона их конструктивных параметров. Как следствие возникла необходимость в углублении представлений о физических особенностях процессов теплообмена и течения в пакетах поперечно-оребренных труб и разработке новых, физически обоснованных методов их теплового и аэродинамического расчетов.

Существующие расчетные методики в ряде случаев не удовлетворяют предъявляемым требованиям как в связи с ограниченностью области кх применения, так и в связи с недостаточной их точностью. Весьма ограничены сведения о закономерностях течения в пакетах оребренных труб,, а немногочисленные опубликованные данные по локальной теплоотдаче носят противоречивый характер и не имеют, как и данные по среднеповерхностному теплообмену,достаточного физического обоснования. Отсутствие глубоких комплексных'физических исследований процессов течения и теплообмена в поперечно-оребренных поверхностях привело к возникновению представлений, основанных на кажущихся очевидными аналогиях с процессами в полуоткрытых плоских каналах и при обтекании гладких цилиндров. В свою очередь, отсутствие достоверной физической картины течения и теплообмена, в частности, в межреберном зазоре, в определенной мере сдерживало возможность совершенствования поперечно-оребренных поверхностей. Совершенствование же таких устройств, приводящее даже к относительно небольшому улучшению их теплоаэродинамических. характеристик, как и повышение точности их теплового и аэродинамического расчетов, в условиях значительного удорожания металла при больших объемах производства теплооб-мепного оборудования может дать существенную экономию средств.

Все отмеченное вьте свидетельствует об актуальности предлагаемой работы как для теории конвектипного теплообмена в развитых поверхностях. так и для инженерной практики.

- г -

Цели и задачи исследования. .Целью работы является углубление' представлений о физических особенностях процессов течения и теплообмена в пакетах поперечко-оребренных труб, создание на этой основе более точных и универсачьных по сразнени» с существующими обобщенных методик их теплового и аэродинамического расчетов, 'определение путей и методов совершенствования теплообменных устройств такого типа.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих за-

Ш1

- экспериментально изучить особенности течения и локального теплообмена в пакетах поперечно-оребренных труб, влияние на процессы геометрии оребрс-ния, типа компоновки, параметров размещения и числа Рейнольдса; установить взаимосвязь между структурой течения и характером распределений интенсивности ■ теплоотдачи по поверхности ребра; на основе полученных ос- {. ^определений для практически Еакких случаев выполнить расчеты температурных полей ребристых труб;

- построить физическую модель течения и теплообмена у поверхности ребристого цилиндра на основе обобщения результатов экспериментальных исследований;

- выполнить исследования среднеповерхнсстного конвективного теплообмена и аэродинамического сопротивления пакетов попереч-но-оребренных' труб с шахматной и коридорной компоновкой в диапазонах значений коэффициента ореорения Ч1 - 1,2...38,3, отношения поперечного и продольного шагов труб <Ъ,/<Ь^~ 0,3. ..5,3 , числа Рейнольдса Ре - 1500... 1000СЮ ;

- обобщить' экспериментальные данные по среднеповерхностному теплообмену » аэродинамическому сопротивлению в виде зависимостей, отражающих выявленные физические особенности процессов в пакетах поперечко-оребренных труб;

- проанализировать влияние шаговых характеристик пакетов и геометрии ребристых труб на интенсивность среднеповерхностного теплообмена и аэродинамическое сопротивление с позиций полученных физических представлений;

- выполнить исследования влияния неравномерности ос- поля ребра на его эффективность и получить зависимость для определения поправки фЕ , учитывающей это влияние;

- сформулировать на основе выявленных физических закономерностей способы совершенствования поперечно-сребренных поверхностей в

направлении повышения их теплоаэродчнамической эффективности; выполнить исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления усовершенствованных видов поперечно-оребренкых поверхностей и оценить кх эффективность.

Методы исследования. Экспериментальные исследования теплообмена и аэродинамики в пакетах поперечно-оребренных труб выполнялись на аэродинамических стендах разомкнутого типа, конструкция к оснащение которых позволяли проводить опыты в условиях, отвечающих требованиям теории подобия, а в значительном числе случаев с натурными образцами ребристых труб. При исследованиях теплообмена использовался метод полного теплового моделирования, реализация которого осуществлялась путем электрического обогрева всех элементов трубного пакета. Интенсивность среднеповерхностяой теплоотдачи определялась по результатам измерений температурных полей ребра и стенки несущего цилиндра. При изучении локальной теплоотдачи использэва-- • лись' фольговые датчики теплового потока Сдатчики Гардона). Исследования аэродинамики выполнялись на основе измерений полей статических давлений, а также методом поверхностной визуализации потока. Обработка и обобщение результатов осуществлялись методами регрессионного анализа, с помощью ЭВМ.

Научная новизна. В результате комплексных исследований аэродинамики и локального теплообмена в пакетах сребренных труб обнаружены явления, принципиально изменяющие сложившиеся представления . о характере процессов в межребер;.ых полостях и в пакетах в целом. В частности, показано существование у корня ребер интенсивных вторичных отрывных течений, определяющих в значительной мере характер распределения интенсивности теплоотдачи по поверхности ребристого цилиндра и приводящих к существенной трехмерности в его следе.

Впервые детально изучена структура, конфигурация и размеры зоны вторичных циркуляционных течений. Обнаружены два типа вторичных течений, возникающих перед лобовой частью цилиндра, несущего орес-рение; показано, что структура и размеры зоны их действия зависят главным образом от отношения высоты ребра к диаметру несущего цилиндра и/6. . Определено значение параметра Ь/с1~ 0,4 при котором происходит переход от одного типа вторичных течений к другому.

Выполнены исследования локального теплообмена' б значительно более широком, чем изученный ранее, диапазоне геометрических характеристик ребристых труб и трубных пакетов. Показано, что тгеричкне циркуляционные течения являются причиной высокого уровня интенсиь-

- 4 -

ности теплоотдачи в прикорневых частях ребра.

Разработана новая физическая модель течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндра, позволившая с единых позиций объяснить особенности соответствующих процессов в поперечно-оребренных поверхностях, а тагане предложить пути их совершенствования. Выделены семь характерных областей, отличающихся условиями омывания и уровнем теплоотдачи, а также пять видов отрыва потока.

Изучено аэродинамическое и тепловое взаимодействие ребристых труб, собранных в пакет. Показано, что геометрия размещения и степень оребрения в значительной мере определяют уровень возмущенности и уровень локальных скоростей потока у поверхности ребристых труб, с которыми связана интенсивность их локального и среднеповерхност-ного теплообмена.

Методом полного теплового моделирования исследован среднепо-верхностный теплообмен шахматных и коридорных пакетов ребристых труб в интервалах ф - 1,2...38,3, 6,/62 0,3. ..5,3, т.е. в области геометрических характеристик вдвое более широкой, чем область, исследованная до настоящего времени. Выявлена существенная зависимость показателя степени при числе Рейнольдса в уравнении для расчета конвективной теплоотдачи Ыи = С^, Ре как от параметров оребрения, так и от параметров размещения труб в пакете. Получено выражение, учитывающее эту зависимость.

Впервые разработано единое обобщенное соотношение, позволяющее в максимально широкой области геометрических характеристик при значениях чисел Рейнольдса (Зе - 5000...200000 с достаточной точностью рассчитывать коэффициенты теплоотдачи как шахматных, так и коридорных пакетов труб с винтовым, шайбовым, квадратным и лепестковым оребрением, включая и предельные случаи, когда нивелируются различия между шахматной и коридорной компоновками ребристых труб.

Обнаружен и физически обоснован экстремальный характер зависимости интенсивности теплоотдачи от параметров размещения ребристых труб в пакете. Получены соотношения для определения значений параметров размещения, соответствующих максимуму интенсивности теплоотдачи.

Разработана новая, отвечающая реальной картине распределения интенсивности теплоотдачи по поверхности ребра формула для расчета поправки ФЕ к коэффициенту теоретической эффективности круглого ребра Е , учитывающей неравномерность ос- поля, а также упрощенное соотношение для расчета Е •

Выполнены исследования аэродинамического сопротивления шахматных и коридорных пакетов труб с винтовым и шайбовым оребрением в области ф - 1,2.. .38,3; <Ь/6~ 0,3.. .4,0. На основе использования понятия приведенной длины развитой поверхности H/F и учета зависимости показателя степени при числе Рейнольдса от геометрических характеристик пакетов ребристых труб получены зависимости, обобщающие практически Есе опубликованные экспериментальные ранние.

Проведены исследования влияния на теплообмен и аэродинамическое сопротивление числа поперечных радом труб в пакете в условиях варьирования геометрии оребрения и размещения, получены зависимости для расчета соответствующих поправок.

На основе выявленных закономерностей предложен новый способ интенсификации теплообмена в пакетах оребренных труб путем конфу-зорной подгибки ребер, а также новые типы интенсифицированных поверхностей - плоско-овальные трубы с неполным оребрением и трубы с • накатным лепестковым оребрением. Пронеден анализ механизма интенси-' фикации процессов переноса в пакетах труб с конфузорно подогнутыми ребрами. Выполнены исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления предложенных типов поверхностей с цель» определения оптимальных значений их геометрических характеристик.

Практическая значимость. Разработаны инженерные методики расчета теплообмена и аэродинамического сопротивления трубчатых поперечно- оребренных конвективных поверхностей, позволяющие повысить точность расчетов теплообменного оборудования и выполнять их в области геометрических характеристик, полностью охватывающей все практические потребности.

Созданная физическая модель процессов течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндра, как и выявленные особенности процессов в пакетах в целом, могут служить основой для дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых видов развитых теп-лообменных поверхностей.

Предложенные и исследованные в работе виды интенсифицированных поперечно-оребренных поверхностей позволяют повысить теплоаэроди-намическую эффективность, компактность и снизить металлоемкость теплообменного оборудования на 20...30 %, что сопровождается повышением надежности и улучшением эксплуатационных характеристик. Поверхности из труб с конфузорно подогнутыми ребрами, кроме того, отвечают такому важному с практической точки зрения требованию: их изготовление не требует переоборудования существующего производства

и больших дополнительных материальных затрат. . При производстве же профилированных труб с неполным оребрением можно использовать более прогрессивные и дешевые технологии, чем технологии, использующиеся в настоящее время при изготовлении полностью оребренных .профилированных труб.

Эффективное использование поверхностной визуализации потока при исследованиях течения в пакетах оребренных цилиндров, позволило расширить область применения ртого относительно простого и дешевого метода на другие теплофизические системы со сложными отрывными течениями (платы с микросхемами электронных устройств, начальные участки труб и каналов с профилированными входами и др.).

Реализация результатов. Результаты работы включены в Нормативный метод теплового расчета котлов : в 3-х томам.- Санкт-Петербург: ПКТИ, 1592 г., а также в Руководящий технический материал Минэнер-гомаша СССР РТМ 108.030.140. - 87. - Расчет и рекомендации по проектированию поперечно-оребренных конвективных поверхностей нагрева стационарных котлов, 1988 г.

Разработанные расчетные методики введены для обязательного использования на предприятиях и в организациях, занимающихся проектированием, изготовлением и эксплуатацией котельных агрегатов, а также используются в организациях других отраслей, связанных с конструированием и производством теплообменных устройств рз поперечно- оребренных труб.

Результаты исследований нашли применение в учебном процессе кафедры атомных электростанций и инженерной теплофизики Киевского политехнического института, а также получили отражение в научной литературе (Мигай В.К., Фкрсова Э.В. "Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб", 1986 г.; ВасильеБ Л.Л., Киселев В.Г., Матвеев Ю.Н., Молодкин Ф.Ф. "Теплообменники-утилизаторы на тепловых трубах", 1987 г.).

Разработаны новое теплообменное устройство и способы изготовления элементов развитых поверхностей нагрева, защищенные двумя авторскими свидетельствами и двумя патентами.

Автор защищает:

- Новые данные о закокомернсстях процессов течения и теплообмена в пакетах поперечно-оребренных труб.

- Новую физическую модель процессов течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндр?..

- Единую обобщенную зависимость для расчета средаеповерхност-

ной конвективной теплоотдачи поперечно-оребренных поверхностей при их обтекании потоком газа.

- Данные о влиянии неравномерности теплоотдачи по поверхности шайбового ребра на его эффективность; соотношение для расчета поправки, учитывающей это влияние; упрощенную зависимость для определения коэффициента теоретической эффективности шайбового ребра.

- Новые экспериментальные данные по аэродинамическому сопротивлению пакетов поперечно-оребренных труб; обобщенные зависимости для расчета их аэродинамического сопротивления.

- Инженерные методики расчета теплообмена и аэродинамического сопротивления поперечно-оребренных конвективных поверхностей.

- Способы повышения теплоаэродинамической эффективности, снижения металлоемкости и габаритов теплообменников из поперечно-оребренных труб.

- Усовершенствованные виды поперечно-оребренных поверхностей и-завйсимости для определения интенсивности их теплообмена и аэроди-' •намического сопротивления.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на II Минском международном форуме по тепло- и массообмену (1992 г.); на Всесоюзном семинаре "Отрывные и струйные течения" (Новосибирск, 1988 г.); на II-ой Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1990 г.); на YIII научно-практической конференции "Опыт эксплуатации и пути совершенствования теплообмен-ного оборудования" (Севастополь, 1992 г.); на научно-техническом семинаре энергетического факультета Харбинского политехнического института (Харбин, КНР, 1990 г.); на заседании секции "Тепломассообмен" Научного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" (Одесса, 1991 г.); на научно-техническом совещании НПО ЦКТИ, ВТИ, ЗиО и КПИ по вопросу выбора методик и расчета теплообмена и гидравлического сопротивления ребристых пучков применительно к разрабатываемым РТМ (Ленинград, 1986 г.); на научно-практической конференции Минмашпрома Украины "Ресурсосбережение в машиностроении" (Киев, 1994 г.); на II и III Республиканских школах-семинарах молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики"(Алушта,1987,1989 г.г.); на XII и XIII конференциях молодых ученых Института технической теплофизики АН Украины (КиеЕ, 1981, 1982 г.г.); на конференции молоды* ученых Института физико-технических. проблем энергетики АН ^итвы и Института тепло- и массообмена АН Беларуси (Каунас, 1987г.);

на II Республиканской научно-технической конференции "Молодые энергетики и электротехники в борьбе за технический прогресс и повышение эффективности производства" (Киев, 1979 г.); на научно-технической конференции "Актуальные проблемы в области радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, энергетики, машиноприборострое-ния и промышленных технологий (Киев, 1988 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 23 статьях, 2. авторских свидетельствах и 2 патентах. Всего по материалам исследований опубликовано 42 работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит ив введения, шести глав, заключения и приложений. Основная часть работы содержит 255 страниц текста. 168 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные результаты, которые выносятся на защиту.

В первой главе на основе обзора литературы выполнен анализ результатов исследований физического механизма процессов течения и теплообмена в поперечно-оребренных поверхностях, а также существующих методик их теплового и аэродинамического расчетов.

Существенный вклад в исследования теплоаэродинамических характеристик поперечно-оребренных поверхностей, создание методов их теплового и аэродинамического расчетов, внедрение в промышленность внесли В.М.Антуфьев, В.К.Мигай, А.А.Жукаускас, Э.С.Карасина, В.А.Локшин, С.И.Мочан, В.Ф.Юдин, Н.В.Зозуля, А.А.Хавин, В.Н.Фомина, В.М.Легкий, А.У.Липец, И.Д.Лисейкин, П.Г.Быстров, А.С.Скринска, Ю. К.Стааолявичюс, В.Б.Кунтыш, и др. В то же время исследования физического механизма процессов переноса в поперечно-оребренных поверхностях весьма ограничены, а их результаты не позволяют сформировать. единую адекватную картину течения и теплообмена. Имеющиеся Данные по локальному теплообмену носят противоречивый характер. Это относится в первую очередь к существенно различным по характеру распределениям интенсивности теплоотдачи по высоте ребра, имеющим в одних случаях абсолютный максимум у основания ребра, в других - у его вершины при одинаковых режимных условиях. Практически отсутствуют данные по влиянию геометрии ребристых труб на характер

■0С~ распределений, а влияние типа компоновки и шаговых характеристик пакетов в основном представлены круговыми распределениями ос-редненных по высоте ребра значений коэффициентов теплоотдачи.

Анализ работ позволил заключить» что противоречивость выводов о закономерностях локального теплообмена обусловлена погрешностями экспериментальных методов, а также отсутствием достаточно глубокого гидродинамического обоснования полученных результатов. Их трактовка часто носит чисто умозрительный характер, так как далеко не всегда теплообменные эксперименты сопровождались изучением особенностей омывания ребристых труб. В тех случаях, когда такие исследования выполнялись, как правило, использовались методы измерений, не позволяющие получить удовлетворительные результаты в условиях значительной трехмерности, характерной для течения в межреберном и межтрубном пространствах.

Недостаточность сведений о закономерностях течения в попереч--но-бребренных поверхностях привела к возникновению- представлений, которые базируются на кажущейся очевидной аналогии с процессами, имеющими место в полуоткрытых плоских каналах и при обтекании гладких цилиндров. Эти представления легли в основу ряда физических и так называемых,полуэмпирических расчетных моделей. Так, модель Бра-уэра, получившая наиболее широкое распространение и послужившая теоретической базой значительного числа работ, предполагает снижение интенсивности омывания прикорневых частей ребер и стенки несущего цилиндра по мере увеличения относительной глубины межреберной полости за счет образования утолщенного пограничного слоя и, как следствие, снижение интенсивности теплообмена, что не соответствует действительной картине процесса.

В главе рассмотрены результаты работ по исследованию среднепо-верхностного теплообмена и аэродинамического сопротивления пакетов поперечно-оребренных труб, приведены и проанализированы полученные в них обобщенные соотношения. Отмечается, что в рассмотренных работах основной массив данных связан с шахматными компановками пакетов. При этом наибольшее количество экспериментов (до 60 % ) относится к весьма узкой области параметров размещения 6,/6х- 1,0... ...1,5 , а примерно три четверти опытов в указанном диапазоне проведено с так называемыми равносторонними компоновками (6,/6*.- 1,15) или близкими к ним. Интервал ¿>,/6* - 1,5. ..2,0 изучен значительно меньше (около 20 % экспериментов) и практически не исследованной (единичные опыты) является область шаговых характеристик 6,/6^2,0.

Весьма малочисленны данные по коридорным пакетам. Кроме того, большинство экспериментов проводилось в области значений коэффициентов оребрения Ф - 5,0...12,0, хотя в отдельных случаях исследовались пакеты труб со значениями ф . достигавшими 21.. .22. Между тем диапазон геометрических характеристик пакетов, представляющий практический и научный интерес, значительно шире исследованного как по параметрам оребрения, так и по параметрам размещения труб. В частности, это относится к так называемым стесненным пакетам (6,/6a>2.0), по ряду технологических, эксплуатационных и других причин находящих применение в конструкциях энергетических агрегатов.

Имеющиеся обобщенные зависимости, в том числе и вошедшие в Нормативные и Руководящие технические материалы, достаточно надежно описывают экспериментальные данные только в относительно узких интервалах геометрических характеристик 6,/6* -1,0...2,0; ф --5,0...12,0. Это в значительной мере связано с тем, что структура предложенных расчетных соотношений не учитывает в полной мере влияние параметров оребрения и размещения на средяеповерхностный теплообмен и аэродинамическое сопротивление пакетов ребристых труб. В частности, не учитывается зависимость показателя степени при числе Рейнольдса в'формулах для коэффициентов теплоотдачи от шаговых соотношений, а в формулах для чисел Эйлера показатель степени при Re вообще принимается не зависящим от геометрии пакетов. Поиск возможностей обобщения опытного материала во многих случаях направлен на разработку сложных выражений для определяющего размера в числах подобия, или на создание громоздких искусственных методов.

По-разному оценивается влияние параметров размещения труб в пакетах на интенсивность среднеповерхностного теплообмена и аэродинамическое сопротивление, что связано с различием методик проведения экспериментов и относительной узостью интервалов изменения шаговых характеристик в большинстве выполненных исследований. Теплообмен и сопротивление малорядных пакетов изучались без варьирования геометрических характеристик.

В заключительном разделе главы формулируются задачи настоящего исследования.

Во второй главе описываются методика и результаты исследований закономерностей течения в пакетах поперечно-оребренных труб, проводившихся в области чисел Рейнольдса Re - 10000...75000. Выполнен анализ течения на поверхности ребер и р. пакетах в и^дом.

Исследования течения на поверхности ребер выявили ряд важных особенностей, к которым в первую очередь относится существование у корня ребер интенсивных вторичных отрывных течений, определяющих в значительной мере характер омывания ребристого цилиндра и приводящих к существенной трехмерности в его следе.

Причины образования вторичных течений в прикорневой части передней полуокружности ребра (зоне А) связаны с развитием гидродинамического пограничного слоя на ребре и взаимодействием потока со стенкой несущего цилиндра (рис.1,а). Из-за различия скоростей вблизи поверхности ребра и в ядре межреберной полости при набегании потока на стенку несущего цилиндра возникает перепад давления вдоль оси 02, вызывающий Движение Газа от центра межреберного канала к осно-ййнийм ребер, Вевнигешее ьторйЧйое течение присоединяйся к поверхности ребра на уча@?1?§ Аа , образуя малую угловую облаете отрыва А( . Встреча б осноьнш течением на участке Д| приводит к отрЬ^У Потока от Поверхности' ребра. ОторваваМсй поток присоединяется к' стенке несущего цилиндра, образуя циркуляционную зону, но не замкнутую, а имеющую отток в боковых направлениях. Вторичные течения переносят импульс Из ядра межреберного потока в прикорневые зоны и вызывают здесь тем самым значительное повышение скорости. Измерения Полей статических ДавЛейИЯ (№.2,а) показывают наличие в основном потоке, движущемся от верййнУ к основанию ребра, положительного градиента давле!^ йМЛЯЩёРЬСй Необходимым условием отрыва, в окрестности осевой ПЛОСКОСТИ ХСК ( Ш - ± 30°). ШШМУМ Ср , наблюдающийся при 0,9 И Ш® ± 406 обусЛоМей М^воМ потока от острой входной кромки ребра б¥Нос!И*е,йЬНо боЛЫиой толщинй с образованием интенсивного присоединенного вихря, положение дугообразной оси которого соответствует указанным координатам.

С помощью серии экспериментов, проводившихся при варьировании относительной высоты ребра ( Ь/У -0,26...1,91), его угла атаки ( бк -±7°), зазора МеЗДУ ребрами ( К -2,8.. .9,5 Ш), относительной глубины Межреберной ПайосШ ( Ь/а -2.25...10.7) и числа Рейно-льдса, изучены структура,- конфигурация й размеры области яёШЧМИя вторичных циркуляционных течений. Обнаружены две разновйдйой'^й схем течения перед лобовой частью несущего цилиндра, а также значение параметра Ь/б. ~ 0,4, при котором происходит переход от одной схемы к другой (рис.1):

- при и/У. > 0,4 (рис.1,а) внешняя гранййй области интенсивных вторичны* циркуляционных течений, являййаа'ся линий отрыва

Рис.1.,Схемы течения перед лобовой частью несущего цилиндра: а-при Ь/с1>0,4; б- при Н/с1 < 0,4; А- зона действия вторичных циркуляционных течений; А, , А, - участки отрыва течения от поверхности ребра; Аа . - участки присоединения

Ср ш

аов

О,OS

а» ш о

-QJOS •во*

•-/ о-г a-S <>-t о-S «-в

аг а* as at р.

аз a« as as 4

Рис.2. Распределения коэффициентов статического давления по высоте ребра при Re -20000: 1- а) -0* ; 2- 30*; 3- 60"; 4- 90'; 5- 120*; 6- 150'; 7- 180*; a- h/d-0,932; б-h/d»0,357

а

потока от поверхности ребра, не совпадает с его кромкой, а в ее пределах наблюдается одна - малая угловая (А, ) зона отрыва; конфигурация границы области, ее положение по высоте ребра определяются в этом случае параметром h/d . числом Re , а также шаговыми характеристиками пакетов ребристых труб;

- при h/d < 0.4 возрастает влияние несущего цилиндра как преграды для основного потока на гидродинамическую обстановку в передней части ребра, что выражается в интенсификации вторичных течений и распространении зоны их действия до передней- кромки ребра (рис.1,6). Кроме того, вследствие интенсификации образованного вторичными течениями прикорневого вихря под его центром на участке образуется локальный минимум давления (рис.2,б), что в свою очередь приводит к возникновению в области возвратных (вторичных) токов положительного градиента давления; последний является причиной отрыва вторичного течения от поверхности ребра на участке А3 и образования, кроме малой угловой (А, ), еще одной циркуляционной' •зоны; присоединившись на участке Л^ , вторичный поток продолжает движение навстречу основному течению вплоть до передней кромки ребра, возле которой происходит их встреча и отрыв.

Величина межреберного зазора и и относительная глубина межреберной полости h/u в исследованных диапазонах их значений существенного влияния на механизм возникновения вторичных циркуляционных течений и размеры зоны их действия не оказывают.

Изучены закономерности течения в кормовой области'ребристого цилиндра. Обнаружены зоны интенсивных трехмерных возмущений на границах следа за несущим цилиндром, возникновение которых связано с отрывом от его поверхности сдвиговых слоев, подверженных воздействию циркуляционных течений из лобовой прикорневой области (рис.3).

Образовавшиеся вихревые жгуты ближе к задней кромке ребра сворачиваются в крупномасшатабные вихревые образования, структура которых является трехмерной и более сложной по сравнению со структурой крупномасштабных вихрей, наблюдающихся в следе за гладким цилиндром. Этим объясняется более высокий, чем в пакетах гладких цилиндров, уровень возмущенности потока в пакетах поперечно-сребренных труб.

Показано также существование в прикорневой зоне задней части ребра вторичных трехмерных течений, аналогичных по характеру вторичным циркуляционным течениям лобовой прикорневой зоны.

Изучена трансформация картин течения на ребре при варьировании

- и -

числа Рейнольдса, типа компоновку ца^тра* их шаговых характеристик, а также положения ребристого цилиндра по. гдубине пакета.

В результате исследований течения в пакетах в Целом изучено аэродинамическое взаимодействие ребристых, труб. Обнаружено, что геометрия, ¡замещения и стецень оребреедц % здадатедарой мере определяют. адэде' Валдае гидродинамические факторы, как уровень возму-щенности. $ уровень локальных скоростей потока у поверхности ребристых труб., с которыми, связана, интенсивное,их локального. $ среднепове^эдрс^цргр, теплробмеца. Причем $ фашдазцвд цветах эвд факторы едрелдоэда; с. 1щшетррМ; размещения ^ в горидррных -

с величиной относительного продольного шага .

В третьей главе рассматривался результаты исследования локальной теплоотдачи, позволившие в. совокупности с данными по исследованию закономерностей; течения., сформулировать физическую модель течения и теплообмена на, прверх^рсти ребристого цилиндра.

Получены и проанализированы, распределения интенсивности ' теплоотдачи по поверхности ребристых труб в условиях варьирования их геометрических характеристик, типа компоновки и параметров размещения в пакетах, а также числа Рейнольдса.

Обнаружен высокий, уровень теплоотдачи в прикорневых областях ребра. Показано, что характер распределения оС по поверхности ребристой трубы в значительной мере определяется воздействием интенсивных вторичны^; циркуляционных течений и трансформитуется в соответствие с изцеч^цием схемы течения на ребре.

Двд; щур, о-, относительно высокими ребрами (Ь/с1> 0,4), развитие течения: прредкей части которых определяется схемой рис.1,а, наиболее высокие уровни теплоотдачи наблюдаются в прикорневой области и у вершины лобовой части ребра (рис.4). Высокие значения оСу/сС у корня связаны с присоединением вторичного течений к поверх-

¡пи

Рвдз.3. Схема образования крупномасштабных вихрей в кормовой части ребристой трубу: 1 - вторичные течения; 2 - вихревой жгут

ности ребра на участке А2 (рис.1.а). Последующее снижение интенсивности теплоотдачи на участке Аа обусловлено развитием собственного пограничного слоя ео вторичном потеке. Минимум значений <х;/<5 ¿ответствует месту отрыва при встрече вторичного (возвратного) и основного течения (участок Л3 , рис.1,а). Локальный экстремум у вершины связан с присоединением потока, оторвавшегося от острой входной кромки ребра. В задней части ребристой труба (а) >• 90е) име ет место существенное снижение интенсивности теплообмена ввиду образования в рассматриваемом случае высокого Ь/с1 широкой кормовой зоны с относительно слабым рециркуляционным движением. Наблюдающиеся при " 1?0Г..150в экстремумы ос - распределений являются следствием распространении по направлению основного потока интенсивных циркуляционных течений, взаимодействующих со сдвиговыми слоями, оторвавшимися от несущего цилиндра. При варьировании числа Рейнольдса в пределах - 20000.. .50000 характер оС- поля существенном образом не изменяется.

При переходе к малым относительным высотам ребер ( И /У < 0,4) происходит изменение характера распределения интенсивности теплоотдачи по поверхности ребра (рис.5), обусловленное трансформацией картины течения в его пределах от схемы "а" к схеме "б" (рис.1). Абсолютный максимум ос наблюдается в прикорневых областях ребра, что связано с интенсификацией вторичных течений. Кроме того, характер ос- распределений, особенно в передней части ребра, зависит от числа Рейнольдса. При относит -„»ль но небольших его значениях (1?е~ -10000) в прикорневой области наблюдаются два максимума: первый ближе к основанию ( < 0,15) в месте присоединения вторичного течения к поверхности ребра, второй - чуть дальше от основания, в окрестности локального минимума статического давления. Наличие второго максимума ог4/б? обусловлено переходом от ламинарного режима к турбулентному в пристеночном пограничном слое на участке ускоренного движения (ЗСР/ЗР„< 0) а области Л2 (рио. 1.6. рис.г,б). При более еысоких числах [1е второй максимум не наблюдается ввиду перехода к турбулентному режиму в пограничном слое до места присоединения вторичного течения к поверхности ребра. Минимум значений оС(/« располагается примерно посредине высоты ребра в месте отрыва вторичного течения от его поверхности, происходящего вследствие наличия на участке Рк«= 0,33...0,65 положительного градиента давления. Слабо выраженный локальный максимум в области а: 0,7 соответствует месту последующего присоединения вторичного

о од од 0,ъ ом 0,5 аб 0.7 0.8 рр

Рис.4. Распределения относительной интенсивности теплоотдачи по высоте ребра при h/d-0,932; a: 1-uWT; 2- 30е; 3- 60 ; 4- 90 ; 5120"; 6-150 ; 7- 180е; б: 1- «,/<х -1,9?.. .1,53; 2- 1,53.. .1,14;

3- 1,14...0.75; 4- 0,75...О,36; 5- 0,36...О,03

Oli/d

f.S 1.2 0,9 46 Q2

го is 1.0

А o-f • -2 с-5 о-е а.

^¿л V э-3 А®-* э-7

.л.—9ь—

1— 1 ¿Г

i -—о---

Svo.

Рис.5. Распределения относительной интенсивности теплоотдачи tra вы-

ocs/3 -1,94!..1,66; 2- 1,66.. .1,24; 3- 1,24.. .0.8-3; Л- ,<■■>. . . '.1.41, 5- 0,41...0,11

.течения к поверхности ребра. В задней части ребра отмечаются более высокие относительные уровни теплоотдачи, чем при больших значениях h /d . что обусловлено более интенсивными возвратными токами в относительно менее глубокой и широкой кормовой вихревой зоне. Наличие интенсивных возвратных течений в кормовой области ребристой трубы создает предпосылки для образования в прикорневой зоне задней полуокружности ребра (оО > 120е, PR< 0,2) вторичных трехмерных течений, аналогичных по характеру вторичным циркуляционным течениям лобовой отрывной зоны А. С их существованием при общей высокой турбулентности потока, имеющей место в кормовой зоне, и связаны наблюдающиеся при малых h/d высокие значения oíj/cc у тыльной стороны несущего цилиндра.

Таким образом, с уменьшением относительной высоты ребра увеличивается интенсивность вторичных циркуляционных течений и их роль в формировании ос - поля ребристой трубы. Полученные в результате компьютерной обработки экспериментальных данных диаграммы относи-.тельной интенсивности теплоотдачи (рис.4,б;5,б), наглядно отражают результаты выполненного анализа и полностью коррелируют с картинами течения на ребре.

В главе показано существенное влияние на характер оС - полей типа компоновки и шаговых характеристик пакетов (рис.7, 8), а также то, что влияние типа компоновки нивелируется как при очень больших (ój.^ 4,0), так и при очень малых (ó2< 1,5) значениях относительного продольного шага.

Выполнена критериальная обработка части экспериментальных данных, позволившая проследить взаимосвязь между величиной показателя степени при числе Рейнольдса в уравнении подобия локальной теплоотдачи и уровнем возмущенности потока.

Для практически важных типоразмеров ребристых труб и компоновок пакетов опытные данные обобщены в виде таблицы, в которой указаны значения максимумов и минимумов o(t//oc , их координаты, а также значения коэффициента неравномерности теплоотдачи по окружности ребристой трубы Krp=«h/¿c. Кроме того, для этих случаев на базе полученных ос-распределений с помощью метода конечных элементов выполнены расчеты температурных полей ребристых труб, показавшие, что существующая методика определения температур вершины и основания ребра дает несколько заниженные результаты и нуждается в коррекции.

- 18 -Результаты исследования течения и локального теплообмена на поверхности ребристого цилиндра обобщены в виде Физической модели, схематически представленной на рис.8. В соответствии с этой моделью на поверхностч ребра имеют место по крайней мере семь характерных по условиям течения и интенсивности теплообмена областей.

1 - Область отрыва и присоединения потока за острой входной кромкой ребра, характеризующаяся повышенными по сравнению со сред-неповерхносткыми значениями '.этэффиционтов теплоотдачи. Наличие и размеры этой области существенно зависят от Формы кромки ребра, его толщины, относительной высоты Н/б. .а также от угла атаки по отношению к набегающему потоку.

2 - Область безотрывного обтекания ребра, в пределах которой имеет место вытеснение потока из межреберного пространства, связанное с нарастанием толщины пограничного слоя. Интенсивность теплоотдачи мало отличается от срсднеповерхностной. Относительные размеры этой области обусловлены размерами.областей 1 и 3. При значениях

<0,4 область безотрывного обтекания 2 на ребре не наблюдается.

3 - Область, характеризующаяся интенсивными вторичными циркуляционными течениями, ь общем случае занимающая прилегающую к несущему цилиндру часть передней полуокружности ребра, где непосредственно генерируются вторичные течения (зона А), и два симметрично расположенных участка их распространения вина по потоку до задней кромки. Большей части этой области соответствуют повышенные значения ос , а в ряде случаев здесь наблюдается абсолютный максимум интенсивности теплоотдачи. Размеры области 3 и ее структура зависят прежде всего от параметра Ь/У. : при Ь/Ы> 0.4 внешняя граница области не совпадает с кромкой ребра, ее конфигурация и положение ао высоте ребра определяются значениями Н/в. . Кв . а также шаговыми характеристиками пакета; в пределах рассматриваемой области наблюдается одна (малая угловая) зона отрыва; при Ь/с1<0,4 внешняя граница области совпадает с кромкой ребра, б ее пределах имеют место две отрывные зроны - малая угловая и отрывной пузырь в средней по высоте части ребра; абсолютный максимум ос расположен в прикорневой области.

4 - Зоны интенсивных трехмерных возмущений,'' вызванных отрывом от несущего цилиндра сдвиговых слоев, подверженных воздействию циркуляционных течений области 3 (зоны Л). Занимают у&кие участки на границе следа за несущем цилиндром; отличаются ексоким уровнем теплоотдачи.

- 1S -

CL

£ {и

«и/<Г

Рис.б. Распределения a,-/« при h/A -0,932; Re -20000: а- коридорный пакет 6, - 3,47; 6j, -2,97; б- шахматный пакет 6, -3,47; 6, -2,66: 1- Р -0,12; 2- 0,25; 3- 0.39; 4- 0,54; 5- 0,70; б- 0,83 '

Рис.8.Схема характерных областей на поверхности ребра

5 - Область крупномасштабных вихрей; характеризуется сложным трехмерным вихревым течением и широким разбросом значений оС. Размеры области характеризуются степенью турбулентности потока, числом Re , а также шаговыми характеристиками пакета.

6 - Область слабого рециркуляционного течения; отличается самой низкой на ребре интенсивностью теплообмена. Размеры этой области взаимосвязаны с размерами области 5: при увеличении последней область 6 сокращается. При высокой турбулентности потока и больших значениях Re крупномасштабные вихри вплотную приближаются к стенке несущего цилиндра, что приводит к исчезновению области 6.

7 - Область вторичных трехмерных циркуляционных течений, аналогичных по природе вторичным течениям области 3; 'интенсивность теплообмена в этой области изменяется в широких пределах и зависит в основном от параметра h /d . достигая при малых его значениях величин, характерных для'Области 3.

В четвертой главе исследован среднеповерхностный теплообмен шахматных и коридорных пакетов труб с винтовым и шайбовым оребрени-ем в интервале значений коэффициентов оребрения фг 1,2...38,3, относительных поперечных и продольных шагов соответственно -- 1,7...6,5. 6г- 1,3...9.5 ( 6, /6г - 0.3...5,2).

При обработке экспериментальных данных важное место уделялось выбору обобщающих геометрических параметров. Величиной, наиболее полно учитывающей влияние геометрии ребристых труб на теплообмен, является коэффициент оребрения Ф , а влияние геометрии размещения труб в шахматных и коридорных пакетах учитывается соответственно параметрами <э,-/6г и •

Анализ экспериментальных данных показал, что величина показателя степени -т при числе Рейнольдса в уравнении конвективной теплоотдачи Nu~ С^Re" изменяется в области Re - 5000... ...200000 в пределах m - О,64...О,95 и определяется уровнем воз-мущенности потока и характером омывания ребристых труб. Геометрия оребрения и параметры размещения труб в пакете примерно в равной мере влияют, на величину щ. Зависимости m от 6,/ё>4 и m от (¿г при ф- const носят асимптотический характер (рис.9,а), причем предельные значения m при ф - const для шахматных и коридорных пакетов совпадают, так как при соответствующих предельных значениях обобщающих параметров размещения различия между типами компоновки нивелируются: при 0,3 шахматные пакеты и при &г> б кори-

дорные вырождаются в систему далеко отстоящих друг от друга попе-

го за <.о 6,/бг

Рис.9. Зависимости m-1(^:6- const (а) и С^Яч^й/б*). ф '-const (б,в) для шахматных пакетов ребристых труб: 1- ч>-3,70; 2- 2,76; 3- 2,00; 4- 1,46; 5- 1,22; 6- 6,40; 7- 38,32; 8- 27,27; 9- 18,25

< ч г и > v * tf»

Рис.10. Размещения ребристых Рис.11. Зависимость интенсивное-труб, при котрорых нивелиру- ти теплоотдачи от параметров :07сч различия между кктт- размещения для шахматных (а) и ной и коридорной гампоноикэми коридорных (б) пакетов ребристых

труб при 'Ке -5000

речных рядов труб, а соответственно при 6,/<a, > 4 и <6А< 2 -п систему продольных рядов сомкнутых труб (рис.10). Увеличение ф при прочих равных условиях сопровождается ростом величины m .

Полный учет зависимости показателя степени m "при числе Re от влияющих факторов позволил в области Re - 6000.. .200000 с достаточной точностью обобщить практически все известные экспериментальные данные для коридорных и шахматных пакетов единым соотношением, используя е числах подобия простой определяющий размер d• При этом в основе выражений для m и лежит одна и та же функция "th X (рис.9,0);

Na = U3GZC„ RemPr°'5i ; с»'

meO,7+U06thX+a0034> ; <« C^(l.36-tbX)(^-0.014) . (а)

Особенности компоновки пакетов учитываются параметром формы пакета X, который в случае шахматного расположения труб определяется по формуле:

Л б* ф '

а в случае коридорного

•Х=4(2 + . (5)

Для расширения области применения предлагаемого расчетного выражения, полученного-на базе экспериментов в воздушном потоке, на другие виды газовых теплоносителей в него на основании данных ЦКТИ введено число Прандтля в степени 0,33. Коэффициент теплоотдачи относится к полной поверхности ребристых труб, скорость - к наиболее узкому сечению пакета. Определяющая температура - средняя температура теплоносителя в пакете.

Полученное обобщенное соотношение описывает и предельные случаи, когда нивелируются различия между типами компоновок (рис.10): в этих случаях |Х| > 2, (thXH^ и интенсивность теплообмена как ша-

хматных, так и коридорных пакетов асимптотически стремится к одному и тому же постоянному значению. Кроме того, обобщающая зависимость (1) прогнозирует совпадение а для пакетов с шахматными и коридорными компоновками при прочих равных условиях также в случае X - 0.

Анализ влияния на теплообмен обобщающих параметров размещения <о,/<ок и <bi показал, что в пределах исследованных интервалов их ■ значений теплоотдача изменяется на 30...50 7., а зависимости Nu --f^&./o*). Ф- const и Nu - ^(ф; 62) • Ф " const носят экстремальный характер (рис.11). Координата максимума определяется в основном степенью оребрения труб Фив значительно меньшей мере числом Re :

для шахматных пакетов

(<ЬЛ _ La*

1,26 «У

+ 2 +

для коридорных

= -4L + 0-1

(6)

(7)

где | = 0,5£п[(0,189 Ы Ре -1 )/0 ~0,02<НпРе)] - слабая функция Ив . принимающая значение | - 0 при Ре«* 10000. Характер зависимостей числа Нуссельта от б,/62 и <Ьг обосновывается выявленными закономерностями течения и локального теплообмена.

Интенсивность среднеповерхностного теплообмена существенно зависит также от параметров оребрения и при увеличении ф от 1,2 до 38,3 уменьшается на 40...80 X. Одчако это снижение не связано с возникновением и ростом застойных зон в прикорневых частях ребер. К причинам уменьшения ос с ростом ф следует отнести: снижение доли более эффективной по теплообмену поперечно-омываемой поверхности ребристой трубы и соответствующее увеличение доли менее эффективной продольно-омывной поверхности, т.е. поверхности ребер; рост толщины пограничного слоя на . ребре при увеличении его высоты; уменьшение доли поверхности, взаимодействующей с интенсивными вторичными циркуляционными течениями; увеличение относительных размеров кормовой вихревой зоны; снижение интенсивности возвратных токов в ' кормовой области и образуемых ими прикорневых вторичных циркуляционных течений.

В главе рассмотрено влияние на теплообмен числа поперечных рядов труб в пакете в условиях варьирования геометрии оребрения и разйешркиа. В результате получены зависимости для определения поп-

равки С2 на малорядность пакета:- для шахматных пакетов, имеющих 6,/64 > 2 и Ег<8, а также для коридорных пакетов при любых и2^г4<8 С2 определяется с помощью соотношения Л о.оз

02=3,5гг -2,72 ; (в)

для шахматных пакетов при 6,/<эг< 2 и 2г< 8 расчет следует вести по формуле

Сг= 3,15гя -2,5 ; (9)

если 8, то следует принимать С2 - 1,0.

Значительное внимание в глтве уделено исследованиям влияния неравномерности с(- поля ребра на его эффективность Е'Ч^ Обзор работ, посвященных"этому вопросу, свидетельствует о противоречивости результатов различных авторов, как в отношении величины поправки ФЕ к т'еорерической эффективности Е , так и в отношении числа параметров, ее определяющих, а анализ выражений, предлагаемых для расчета Ч^ , показал, что их использование в области рЬ >1,5 может привести к существенным ошибкам при расчете теплоотдачи. Проведенные в настоящей работе при значениях рЬ - 0,1...3,0, --1,1...4,0 исследования позволили получить зависимость

фвв1-о,01б(5-1)[тн(2рЬ-1)] , «о)

лишенную отмеченного недостатка, т.к. она учитывает асимптотическое стремление поправки ФЕ к постоянному значению при больших величинах рЬ , а также-значимость параметра Ц/с1 - 2 Ь/с( + 1. что согласуется с. выводами глав 2, 3 о роли относительной высоты ребра Ь/У в формировании его ос-поля. Разработано упрощенное соотношение для расчета коэффициента теоретической эффективности ребра

ЬЧь4)Иа191 + 0Д)54£)еп£] , (12)

позволяющее при Ц/с( ^ 3 и рЬ<2 определять значения Е практически с той же точностью,что и при использовании выражений, включающих

функции Бесселя.

Полученные в главе результаты составили, основу обобщенной методики расчета теплообмена пакетов поперечно-оребренных труб, которая обеспечивает, более высокую точность расчетов по сравнению с другими известными методиками в значительно более широком диапазоне геометрических характеристик. Это показала сравнительная оценка, выполненная автором и независимо в ВТИ и ЦКТИ по опубликованным данным исследований 120 вариантов пакетов оребренных труб с шахматной и 60 вариантов с коридорной компоновкой. В таблицах 1, .2, обобщающих- итоги сопоставления,для каждой из рассмотренных методик приведено выраженное в процентах количество пакетов, теплоотдача которых описывается соответствущими формулами с погрешностью, не превышающей заданного значения Д .

Таблица 1.

Результаты сопоставления методик расчета теплообмена шахматных пакетов поперечно-оребренных труб

-1-=—I-1-1--г-5-

Методика |Д«г ±10%|Д< ¿15%|Д« ±20Х|Дг? ±30%|Д« ±507.

J_;_I_I_I_I

Нормативная, 1973г. 29,6 42.6 57.4 80,9 99,1

ЦКТИ 41,7 ' 60,9 79,1 88.7 100,0

ИФТПЭ АН Литвы ■ 12,2 22.6 47,8 77,4 97.4

КИИ 74.8 93.9 96,5 99.1 100,0

Таблица 2.

Результаты сопоставления методик расчета теплообмена коридорных пакетов поперечно-оребренных труб

Методика 1 1 г |Дг= ±15*|Д<*20Х|Д 1 1 1 1 1 +30% | Д < +40% | Д < +50% ( 1

Нормативная, ЦКТИ ' КПИ 1973г. 36,7 20,0 85,0 50,0 40,0 88,3 83,3 53,3 96,6 95,0 71,6 98,3 ' 100,0 85,0 100,0

Кроме того, обобщающие соотношения (1) - (5) достаточно точно описывают экспериментальные данные по теплообмену и таких видов поперечно- оребренных поверхностей, как пакеты труб с квадратным , прямоугольным и лепестковым оребрением (рис.12).

е.

I

X

"CJ

F n H

I 1 Г 1

I I 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

L- . L.

Рис.12. Виды ребристых поверхностей, теплообмен ¿вторых описывается формулами (1) - (5): а -трубы с винтовым оребрением; б - квадратными ребрами; в - поверхности с лепестковым оребрением

В пятой главе приводятся реэультаты исследований аэродинамического сопротивления шахматных и коридорных пакетов труб с винтовым и шайбовым оребрением, выполненных • в области ф - 1,8...38,3, H/F --0,3...4,0.

Экспериментальные данные обрабатывались и обобщались в интервале Re3 -5000...60000 на основе соотношения

EuCi Cr Re

-n Э

(13)

(14)

где в качестве ..определяющего размера фигурирует эквивалентный диаметр минимального живого сечения о(, , а величины П и Сг рассматриваются как функции параметра размещения и приведенной длины развитой поверхности

Такой подход позволил построить систему обобщающих соотношений, с достаточной точностью описывающих подавляющее большинство опубликованных опытных данных-..

при шахматном расположении труб в пакетах показатель степени п и коэффициент Сг в формуле (13) определяются выражениями

п =Д17 (и/р)ЬЛ\б,/бТ^ * р (- 0,36 б,/(0 ; (15>

- 27 -\0,55.

Сг= 1,4 (н/р)' (б./б£)' ехр(-0(90б,/4) ; (16)

в случав коридорного расположения труб при <з, 2,1 для

определения п и Сг следует использовать соотношения

п = (Н/Р)°'Ов(0,184-0,0ббб,/бг) ; м

Сг=1.25(н/р)°'гехр(-|,7б|/4) . (18)

а при 6,/<эг > 2,1 соответственно

П = 0 ; (19)

Сг= (нА)Ъ066 - 0,008 6,/62) . (20)

Поправочный коэффициент на малорядность пакета С^ в зависимости от типа компоновки труб рассчитывается с помощью следующих соотношений: при шахматном расположении труб и г^б

С,'

при коридорном расположении труб и £2< 6

„ г

при любом расположении труб и 6 Сг- 1.0. В главе выполнен анализ влияния параметров размещения и геометрии ребристых труб на величину коэффициента сопротивления .

Приведенные обобщающие выражения легли в основу инженерной методики расчета аэродинамического сопротивления пакетов ребристых труб, которая обеспечивает более высокую точность расчетов по сравнению с другими известными обобщениями, что видно из таблиц 3, 4.

Таблица 3.

Результаты сопоставления методик расчета аэродинамического сопротивления шахматных пакетов поперечно-оребренных труб

-,-1-1-1-1-

Методика |Д;£±20Х|Д^±30г|Д^+40Х|Д^±50%|Д^+60Х

'__i i i_i 1

ВТИ 55,3 70,2 82,0 86,3 90,1

Нормативная, 1978г. 6и,2 79,5 90,7 93,2 97,5 КПИ 87,0 91,9 96,9 98,8 98,8

Таблица 4.

Результаты сопоставления методик расчета аэродинамического

сопротивления коридорных пакетов поперечно-сребренных труб ■ | | | |

Методика ±20Х|Д« ±307.| Д^ ±40Х| +50Х| Д< +60%

_;_I_I___I_I_I_

Нормативная, 1978г. 53,2 67,5 77,0 93,5. 93,5 КПИ 88,0 92,2 - 98,7 100,0 100,0

Шестая глава посвящена проблеме повышения теплоаэродинамичес-кой эффективности поперечно-оребренных поверхностей. Выполен анализ существующих путей и методов их совершенствования, позволивший прийти к выводу о том; что в настоящее время в связи со значительны" повышением стоимости металла при больших объемах производства тешкгобменного оборудования целесообразно использовать идеи и разработки, приводящие к снижению металлоемкости всего на несколько процентов. Сформулированы требования к разрабатываемым типам поверхностей, сводящиеся к тому, что их элементы должны изготавливаться с помощью безотходных высокопроизводительных технологий пЬ возможности на имеющемся оборудовании; теплообменные устройства должны быть ремонтопригодными без демонтажа больших их модулей.

Выявленные в результате исследований течения и теплообмена закономерности процессов в пакетах поперечно-оребренных- труб в сочетании со сформулированными требованиями дали возможность предложить • три типа интенсифицированных поверхностей: трубы с конфузор-ной подгибкой ребер; профилированные трубы С неполным оребрением и трубы с накатным лепестковым оребрением. В гладе приводятся ре-

зультаты исследований теплоаэродинамических характеристик предложенных типов поверхнгстей, сопоставления с характеристиками пакетов обычных поперечно-оребренных труб,' выполняется анализ механизма интенсификации теплообмена в них, анализируется влияние параметров ребристых труб и трубных пакетов на теплообмен и сопротивление с целью определения их оптимальных значений.

Показано, что использование конфузорной подгибки ребер (рис. .13) может привести к повышению конвективной теплоотдачи на 77 % при примерно пропорциональном росте аэродинамического сопротивления пакетов по сравнению со случаем обычных неподогнутых ребер. При этом чистый выигрыш по наружному теплообмену, оценка которого осуществлялась сравнением приведенных коэффициентов теплоотдачи обычного и интенсифицированного пакетов с одинаковыми параметрами оребрения и размещения при равных сопротивлениях, составляет 47 7, . Эффект интенсификации достигается при этом по следующим причинам. Отогнутые участки ребер поджимают поток в кормовой части ребристой трубы, направляя интенсивные циркуляционные течения, которые генерируются в лобовой прикорневой области, в пространство за несущим цилиндром. В итоге значительные участки кормовой поверхности ребристой трубы вклю.чаются в активный теплообмен. Интенсивность теплообмена возрастает как за счет 2-х...3-х кратного уменьшения размеров кормовой вихревой зоны, так и за счет примерно такого же увеличения доли поверхности, взаимодействующей с интенсивными вторичными течениями, вследствие. вовлечения в контакт с ними боковых участков ребра и увеличения длины вихревых жгутов в его пределах (рис.14). Кроме того, к причинам интенсификации теплообмена следует отнести: ускорение потока на коафузорном участке кормовой части ребристой трубы; взаимодействие интенсивной струи, истекающей из кормового конфузора

с лобовой областью ребристой трубы,- лежащий ниже по течению

%

(рис.13); поддержание высокого уровня возмущенности потока в пакете в результате его отрыва от внешних поверхностей перфорированных стенок конфузоров, образуемых отогнутыми частями ребер, и Едува через щели между несомкнутыми их кромками части потока из межреберных полостей в поперечном по отношению к основному течению направлении (рис.15).

На базе полученных данных проведена оценка снижения металлоемкости конвективного испарительного пакета котла-утилизатора паро -газовой установки ЛЖ ■ БЯ в случае использования вместо обычных труб с вантой/и оробрением таких же чЮ размерам труб с конфузорно

Рис.13. Трубы с конфуаорной подгибкой рёбер .

Рис.14. Трансформация размеров характерных областей на поверхности ребристой трубы в глубине пакета с б,/б*> 2 в случае применения конфузорной подгибки ребер: а- обычное ребро; б- подогнутое ребро (развертка); 1- область вторичных циркуляционных течений; 2- кормовая вихревая зона

Рис.15. Вдув потока в межреберное пространство через иели стенок конфузора

- 31 - '

подогнутыми ребрами. Такая замена позволяет уменьшить металлоемкость пакета на 40 X при неизменном аэродинамическом сопротивлении, а также существенно снизить его габариты при сохранении ремонтопригодности.

Показано также, что применение профилированных труб с неполным оребрением и труб с накатными лепестковыми ребрами мсжет обеспечить экономию металла ка 20...30 Т..

ВЫВОДЫ

1. Предложенная в работе физическая модель течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндра позволяет с единых позиций объяснить особенности процессов переноса в поперечно-оребренных поверхностях. Согласно этой модели характер смывания ребристого ци-лидра и его ос- поле в значительной мере определяются вторичными циркуляционными течениями, генерирующимися в прикорневых частях ребра, что принципиально изменяет сложившиеся представления» На поверхности ребристого цилиндра можно выделить семь характерных областей, отличающихся условиями омывания и уровнем теплоотдачи, а также пять ввдов отрыва потока. Размерь' выделенных областей зависят от геометрии ребристых труб, характеристик их размещения в пакетах и числа Рейнольдса.-

2. Интенсивные вторичные циркуляционные течения являются причиной высокого уровня, а в ряде случаев и наличия абсолютного максимума, интенсивности теплоотдачи в прикорневых областях ребра. Обнаружены две разновидности вторичных течений в передней части ребра, объясняющие трансформацию оС- распределений при изменении геометрии ребристой трубы, а также значение параметра Ь/с1- 0,4, при котором происходит переход от одного типа вторичных течений к другому. При И/У>0,4 внешняя граница области действия вторичных течений не совпадает с кромкой ребра, а в ее пределах наблюдается одна - малая угловая зона отрыва. При Ь/У <0,4 внешняя граница области совпадает с кромкой ребра и в ее пределах имеют место две отрывные зоны - малая угловая и отрывной пузырь в средней по высоте части ребра.

3. Течение в следе за ребристой трубой существенно отличается от течения за гладким цилиндром явно выраженной трехмерностью, основной причиной возникновения ¡которой является взакуоде^стбие вторичных циркуляционных течений с оторвавшимися от несущего цилиндра

сдвиговыми слоями. Трехмерность в следе формируют как вторичные течения, возникающие в лобовой прикорневой зоне, так и аналогичные км по природе вторичные циркуляционные течения, генерируемые возвратными токами кормовой области ребристой трубы в прикорневой зоне задней полуокружности ребра.

4. Геометрия размещения труб в пакете и степень их оробрения в значительной мере определяют такие важные гидродинамические факторы, .лк уровень возмущснности и уровень локальных скоростей потока, с которыми связана интенсивность локального и среднеповерхностного теплообмена. При ф - const в шахматных пакетах эти факторы коррелируют с параметром размещения <6,/бд . а в коридорных - с величиной 6а •

5. Учет зависимости показателя степени при числе Рейнольдса как от степени оребрения, так от параметров размещения труб в пакете позеолил получить едикЪе соотношение, с достаточной точностью обобщающее практически все опубликованные экспериментальные данные по среднеповерхностному теплообмену шахматных и коридорных пакетов труб с винтовым, шайбовым, квадратным и лепестковым оребрением в широкой области геометрических и режимных характеристик: Ф - 1,2 .! .38,3; 6,/ёг- 0,3...5,3;. Re - 5000... 200000. При этом в числах подобия используется простой определяющий размер о! . .

6. Интенсивность теплообмена существенно зависит от параметров размещения ребристых труб в пакете. Эти зависимости носят экстремальный характер, что связано с изменением соотношения между уровнем возмущенности и уровнем локальных скоростей у поверхности ребристых труб в дубине пакета при варьировании его шаговых характеристик. Значения параметров размещения, соответствующие максимуму интенсивности теплоотдачи.определяются геометрией ребристых труб и в меньшей степени числом Ройнольдса.

7. Поправка к теоретической эффективности круглого ребра Е, учитывающая влияние неравномерности теплоотдачи по его поверхности, определяется параметрами D/d и ph . что соответствует сделанным в работе выводам о роли относительной высоты ребра h/d в формировании его of- поля. С ростом D/d значение ФЕ уменьшается, а при увеличении ph - асимптотически стремится к постоянному значению. Полученное соотношение для расчета ф£ в области D/d -"1,1...4,0, -0,1...3,0 описывает выявленные закономерности.

8. Для практически важных типоразмеров поперечно- оребренНу* труб и компоновок пакетов определена значения максимумов

и минимумов относительной интенсивности теплоотдачи л их координаты на поверхности ребра, а также значения коэффициента неравномерности теплоотдачи по окружности трубы Ктр! позволяющие выполнять расчеты температурных режимов. По полученным о(- распределениям проведены расчеты температурных полей ребристых труб, показавшие, что существующая методика определения характерных температур ребра дает несколько заниженные результаты и нуждается в коррекции.

9. При обобщении экспериментальных данных по аэродинамическому сопротивлению пакетов поперечно-оребренных труб наилучший результат достигается в случае учета зависимости по!сазателя степени при числе Рейнольдса в уравнении подобия от геометрических характеристик и использования в качестве безразмерных параметров геометрического подобия приведенной длины развитой поверхности H/F и отношения шагов <э,/Сэг . а в 1сачестве определяющего размера в числах Рейнольдса - эквивалентного диаметра минимального проходного сечения. Полученные на основе такого подхода соотношения с достаточной точностью описывают до 90 X всех опубликованных опытных данных.

10. Разработанные в диссертации инженерные методики расчета теплообмена и аэродинамического сопротивления поперечно-оребренных поверхностей прошли широкую апробацию на энергомашиностроительных заводах, в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях, занимающихся разработкой теплообменного оборудования, и признаны наиболее точными и универсальными. Они включены в Нормативный метод теплового расчета котлов выпуска 1992 года и в Руково-цящий технический материал Минэнергомаша СССР РТМ 108.030.140- 87.

- Расчет и рекомендации по проектированию поперечно-оребреных конвективных поверхностей нагрева стационарных котлов.

11. Совершенствование характера течения теплоносителя в пакете путем конфузор- ой подгибки ребер позволяет существенно (до 77%) повысить интенсивность теплоотдачи при примерно пропорциональном росте аэродинамического сопротивления. Применение предложенных на эснове выявленных закономерностей видов интенсифицированных поверхностей - труб с конфузорно подогнутыми ребрами, с накатным лепестковым оребрением, профилированных труб с неполным оребрением дает возможность не менее, чем на 20...30 % снижать металлоемкость и габариты теплообменного оборудования.В частности, выполненные оценен показывают, что замена обычных поперечно-оребренных труб трубами j конФузорно подогнутыми ребрами сникает массу испарительного пакета котла утилизатора паро газовой установки дн-59 на 40 7. при

неизменном аэродинамическом сопротивлении. Продольный габарит сокращается при этом в 2 раза. По выполненным разработкам получены 2

патента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РА@ТАХ:

1. Легкий В.М., Тупицун Ю.К., Письменный E.H. Влияние шаговых соотношений на теплоотдачу и аэродинамическое сопротивление шахматных поперечно-омываемых пучков труб с внешним спирально-ленточным оребрением // Теплообмен в энергетических установках.- Киев: Наук.думка. - 1978. - С.78-82.

2. Легкий В.М., Письменный E.H. Некоторые особенности'обобщения экспериментальных данных по теплообмену поперечно-омываемых пучков труб с внешним кольцевым оребрением // Молодые энергетики к электротехники в борьбе за технический прогресс к повышение эффективности производства: Тез.докл. II Респ.научн.-техн. конф. -Киев. - 1979.' - С. 76 - 77.

3. Легкий В.М..Письменный E.H.Об одной закономерности процесса теплообмена в шахматных поперечно-омываемых пучках труб с внешним кольцевым оребрением // Ибв.вузов.Энергетика. - 1332,- N 11. -

С. 107-111; -

4. Легкий В.М... Письменный E.H..О структуре расчетных соотношений теплоотдачи поперечно-омываемых шахматных пучков труб с внешним кольцевым оребрением // Пром.теплотехника. - 1984.-Т.6.- N 2. -. С.29 - 31.

5. Письменный Е.-Н., Легкий В.М. К расчету теплообмена многорядных шахматных пучков труб с кольцевым поперечным оребрением // Теп-• лоэнергетика-. - 1984. - К б. - С.62 - 65.

е. Письменный E.H. Исследование течения на поверхности ребер поперечно- оребренных труб // Инж.физ.журн. - 1984. - Т.47. - N 1. -С. 28-24.

7. 'Легкий В.М., Письменный E.H. 0 методике обобщения опытных данных по аэродинамическому сопротивлению ыахматных пучков труб с внешним кольцевым оребрением // Изв. вузов .' Энергетика.-1986. - N 1,-С.80-84. •

8. Обобщение опытных данных по конвективному теплообмену к аэродинамическому сопротивлению в пучках труб с поперчным оребрением / Мигай В.К.. Быстров П.Г., Письменный Е.Н.,Зоз В.Н. // Тр.ЦКТИ. -1987. - Вып.236. - С. 34-43.

9. Легкий В.М., Письменный Е.Н., Терех A.M. Обобщение экспериментальных данных по аэродинамическому сопротивлнекию шахматных пучков поперечно-оребренных труб // Изв.вузов.Энергетика.- 1987.

- N 4. - С. 98 - 101.

10. Legky V.M., Pianenny Ye.N. About the Generalisation Technique for Correlating: Experimental Data on Aerodynamic Draff in Bundles of Tubes with Annular Fins /'/ Fluid Mechanics - soviet Research.-1987. - vol.42. - M 2.

11. PTKi 100.030.140 - 87.Расчет и рекомендации по проектированию поперечно-оребренных конвективных поверхностей нагрева стационарных котлов. - М.: Минэнергомаш, 1988.-30 с.

12. Письменный Е.Н., Терех A.M. Исследование влияния факторов, формирующих ос- поле круглого ребра на его эффективность // Актуальные проблемы з области радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, маиино-приборостроения и промышленных технологий: Тез.докл.научн.-техн.конф.молодых ученых и специалистов. Киев. - 19S8. - С. 61.

13. Письменный Е.Н., Терех A.M. Обобщенный метод расчета конвективного теплообмена в пучках труб с поперечным оребрэнием // Теплообмен в парогенераторах: Тез.докл. II Всесоюзной конф. - Новосибирск. - 1990. - С. 150 - 151.

14. Correlation of Experimental Data on Convective Heat Transfer and Aerodynamic Drag in Bundles of Transversely Finned Tubes /Mieay V.K., Bystrov P.G., Pismennys Ye.N., Zoz V.N. // Heat Transver -Soviet Research. - 1990. - Vol. 22.- N 4. •• Pp. 433 - 444.

15. Письменный Е.Н. Способы совершенствования теплообменников из по. перечно-оребренных труб // Пром.теплотехника. - 1990. - Т.12. -

N 6. - С. 3 - 9.

16. Письменный Е.Н. Особенности течения и теплообмена в шахматных пучках поперечно-оребренных труб // Июс.физ.журн. - 1991. - Т. 60.

- N 6. - С. 895 - 902.

17. Обобщение экспериментальных данных и разработка рекомендаций по расчету теплообмена шахматных пучков из труб со спиральным и шайбовым оребрением в поперечном потоке газа (для новой редакции Нормативного метода теплового расчета котлов) /Фомина З.Н., Титова Е.Я., Мигай В.К., Быстров Л.Г., Письменный Е.Н. // Электрические станции. - 1991. - N 6. - С. 48 - 56.

18. Письменный Е.И., Терех A.M., Теплообмен малорядных пучков попе-речно-оребрснных труб.// Пром.теплотехника. - 1991. •• Т. 13.- N3.

' - С. 55-60.

19. Нормативный метод теплового расчета котлов: В 3-х т. - Санкт-Петербург: ЦКТИ, 1992. - 744 с.

20. Письменный Е.К. Особенности теплообмена и течения я пучках попе-речпо-оребренкых труб // Тепломассообмен - ММФ - 92. Тепломассообмен в энергетических устройствах. Т.10. - Минск: АПК ИТМО АКБ.

- 1992. - С. 13 - 18.

21. Письменный E.H., Терех Л.М. Обобщенный метод расчета конвективного теплообмена поперечно-омываемых пучков труб с внешеим кольцевым и спирально-ленточным оребрением// Теплоэнергетика.- 1993.

- К 5. - С. 52 - 56.

22. Письменный E.H., Терех A.M. Локальный теплообмен в пакетах поперечно- оребренных труб // Пром.теплотехника. - 1993.- Т. 15.- N' 3.

- С. 45 - 55.

23. Легкий В.М., Письменный E.H., Терех A.M. Аэродинамическое сопротивление поперечно-омываемых коридорных пучков оребренных труб// Теплоэнергетика. - 1994. - N 5. - С. 58 - 60.

Авторские свидетельства и патенты

24. A.c. 1463368 СССР. Способ изготовления трубы со спиратьным оребрением// E.H.Письменный, В.Н.Зоз. П.Г.Быстров, Г.Н.Ермаков, П.А. Еереэинец, О.В.НесиоловскиЙ (СССР). - N 4290799. - 27.07.1687.

25. A.c. 1646638 СССР. Способ изготовления трубы со спиральным оребрением // В.Н.Зоз, Г.Н.Ермаков, E.H.Письменный, В.П. Харкн, В.В. Трепутнев, А.А.КрИВешко (СССР). - N 4688308. - 12.05.1989, -

26. Патент Sil N 1838746 A3. Способ изготовления теплообменпой трубы с поперечными разрезными ребрами // E.H.Письменный, В.А.Рогачев, А.В.О^одянский. - 1991.

2?. Патент PS N 2000518. Воздухоподогреватель // Р.А.Петроснн, В.Н. Фомина. E.H.Письменный, В.А.Шелободкин. Е.А.Качачин, A.II. Савин.

- 1994.

Условные обозначения

с! - диаметр трубы, несущей оребрение; Ь - высота ребра; Б - наружный диаметр оребрения; ф - коэффициент оребрения; - радиус кромки ребра; - радиус основания ребра; Г - координата, отсчитываемая вдоль радиуса ребристой трубы; (&, - относительный поперечный шаг труб; ¿)г - относительный продольный шаг труб; Н - площадь теплоотдающей поверхности; р - площадь сжатого поперечного сечения пакета; о) - угловая координата, отсчитываемая по окружности от лобовой точки трубы; ос . оС£ - локальный коэффициент теплоотдачи; оС -среднеповерхностный коэффициент теплоотдачи; с(ь- осредненный по высоте ребра коэффициент теплоотдачи; (г-г»)/(1?-Г,) - безразмерная координата, отсчитываемая вдоль радиуса ребра; ^Ь - безразмерная высота ребра; ДР- перепад давлений; и - скорость потока; СР= коэффициент статического давления; ~ 11с1/у

число Рейнольдса; Ыи = оСо1/А - число Нуссельта; Еи-ДР/эи'-«шсло Эйлера.

Подписано к печати 4.08.1994г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Усл.-печ.лист.^^ч.-изд.лист 2,0, Тиран юо. Заказ 29%, Бесплатно

Полиграф, уч-к Инотитута алектродинамики АН Украины, 252057, Киев-57, проспект Победи, 56.