Интенсификация теплообмена в кольцевых каналах воздухонагревательных устройств тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Перечень основных обозначений.

Введение.

Глава 1. Повышение эффективности теплообмена в каналах теплоэнергетических установок

1.1. Методы интенсификации теплообмена в каналах за счет воздействия на поток теплоносителя геометрических свойств поверхности (формы и конструктивных показателей).

1.2. Теплообмен в каналах при использовании вращательного принципа движения газа.

1.3. Постановка задачи исследований.

Глава 2. Теоретические основы и методика проведения экспериментальных исследований процесса теплообмена , закрученного потока в кольцевых каналах с тангенциальным входом , " "

2.1. Математическое обоснование задачи исследований и определение общего вида критериальной зависимости.

2.2. Экспериментальная установка, опытные модели каналов и программа исследований.

2.3. Методика исследования и измерительные приборы.

2.4. Методика обработки опытных данных.

2.5. Оценка погрешности результатов исследований.

Глава 3. Результаты экспериментального исследования и анализ движения потока в кольцевых каналах с тангенциальным входом

3.1. Результаты экспериментального исследования структуры потока и влияния геометрических факторов компоновки кольцевого канала.

3.2. Анализ движения потока в пристенном слое.

3.3. Коэффициент сопротивления и оценка его структурных составляющих.

3.4. Оценка аэродинамических характеристик поверхностей теплообмена.

Глава 4. Исследование процесса теплообмена закрученного потока в кольцевых каналах и анализ эффективности его использования

4.1. Особенности теплообмена между потоком воздуха в кольцевом канале и высокотемпературным потоком газов.

4.2. Экспериментальные результаты исследований теплоотдачи при движении воздуха в коротких кольцевых каналах с тангенциальным входом.

4.3 Анализ теплообмена при двухстороннем подводе теплоты в кольцевом канале с закруткой потока на входе в условиях теплового и гидродинамического начального участка

4.4 Оценка интенсивности теплообмена при использовании тангенциального подвода теплоносителя в короткие кольцевые каналы по сравнению с осевым течением.

4.5 Анализ эффективности исследуемых компоновок поверхности теплообмена на основе комплексных характеристик.

Вынужденная конвекция с турбулентным режимом течения теплоносителя свойственна многим встречающимся в практике эксплуатации энергетическим установкам и протекающим в них процессам. Характерной особенностью некоторых из них, например, утилизаторов промышленных печей, теплооб-менных аппаратов АЭС, энергоустановок специального назначения в химической и пищевой промышленности, а также огневых рекуперативных воздухоподогревателей является наличие каналов в виде теплообменных участков с кольцевым поперечным сечением.

Повышение эффективности теплообмена в каналах традиционно достигается развитием поверхности теплообмена за счет ее оребрения, а также увеличением скорости движения потока в канале. Постоянно меняющиеся соотношения стоимости металла, электроэнергии и топлива требуют особенно тщательного выбора способа интенсификации теплообмена. Перспективным направлением повышения эффективности теплообмена при вынужденной конвекции теплоносителя в осесимметричных каналах может являться закрутка потока.

Тангенциальный ввод потока в кольцевые каналы рекуперативных воздухоподогревателей, выполненных по типу "труба в трубе", как показывают исследования, позволяет интенсифицировать процесс теплообмена.

В предлагаемой работе приводятся результаты экспериментального исследования аэродинамики и теплоотдачи в коротких кольцевых каналах с тангенциальным вводом в используемом в практике эксплуатации диапазоне изменения их геометрических характеристик при значениях чисел Рейнольдса 1,5 • 105 < Яевх <9 • 105 . Комплексная теплоаэродинамическая оценка эффективности исследованных компоновок при закрученном движении теплоносителя показала их преимущества в сравнении с осевым течением в кольцевых каналах с оребренной внутренней поверхностью и позволила предложить рекомендации по выбору рациональных соотношений геометрических факторов канала кольцевого поперечного сечения при заданных параметрах смежного в теплообменных аппаратах, выполненных по типу "труба в трубе".

Использование тангенциального подвода теплоносителя в осесимметричных каналах не только существенно повышает тепловую эффективность теплотехнического оборудования, но и упрощает его изготовление, облегчает обслуживание и снижает дополнительные эксплутационные затраты на перемещение теплоносителей.

Основные выводы и рекомендации

1. В работе проведены теоретические и экспериментальные исследования теплообмена и аэродинамики при закрученном течении теплоносителя в кольцевых каналах теплообменнков, выполненных по типу "труба в трубе".

В качестве объектов исследования использованы модели кольцевых каналов воздухонагревательных устройств с боковым подводом теплоносителя, расположенным тангенциально внешней поверхности в горизонтальной плоскости под углом 90° к оси канала с одной и двух диаметрально противоположных сторон. При проведении экспериментальных исследований использованы 20 вариантов компоновок кольцевых каналов с односторонним и 20 - двухсторонним симметричным тангенциальным входом потока при одинаковых диаметре внутренней поверхности с1 и площади входа ¥вх и сменной внешней поверхности различного диаметра Б и длины Ь.

2. В результате теоретических исследований и локальных измерений проведена оценка аэродинамического сопротивления каналов на входе, выходе и по его длине, определены особенности движения у выпуклой и вогнутой стенок канала при использовании вращательного вида движения потока; экспериментально получены распределения интенсивности теплоотдачи на внутренней поверхности по длине и периметру кольцевых каналов при различных значениях величин относительных геометрических факторов й,¥,¥.

На основе анализа полученных при исследованиях данных определены зависимости для расчета суммарного коэффициента сопротивления, средних и локальных коэффициентов теплоотдачи по потоку для закрученного движения теплоносителя в кольцевых каналах при совместном влиянии участка тепловой и гидродинамической стабилизации, а также установлены в этих зависимостях степени влияния основных геометрических факторов компоновки поверхности теплообмена.

Результаты анализа тепловой эффективности исследованных компоновок при обтекании их закрученным потоком для (I - \аг и Ь=уаг позволяют рекомендовать их для практического использования в качестве каналов воздухонагревательных установок с концентричным расположением поверхностей теплообмена. Установлено, что применение вращательного принципа движения теплоносителя создает возможность увеличить интенсивность теплоотдачи в коротком кольцевом канале в 1,4.3 раза и улучшить массовые показатели по сравнению с осевым течением как в гладком (на 10-20 %), так и оребренном (на 20-40 %) кольцевых каналах.

Применение бокового подвода теплоносителя по сравнению с осевым облегчает компоновку оборудования, позволяет отказаться от оребрения каналов, что улучшает технологичность изготовления и способствует снижению массы агрегата, а в конечном итоге и расход металла на его изготовление.

При выборе значений факторов компоновки коротких кольцевых каналов при заданных параметрах смежного в теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» без снижения интенсивности теплосъема с поверхности, а в ряде случаев и с ее ростом, а также использовании стандартных нагнетателей (при одинаковых затратах мощности на перемещение теплоносителей), предпочтительнее использовать боковой подвод теплоносителя при изменении значений факторов Ь,=0,6.1,6 и Ь =10. 20. Применение распределенного подвода потока в канал обосновано при значениях Ь > 15. 18.

3. Положительные результаты проведенных исследований показывают перспективность использования закрутки потока на входе в короткие кольцевые каналы теплообменников, выполненных по типу "труба в трубе", в сравнении с традиционными компоновками кольцевых каналов с использованием внутриканальных интенсификаторов различного конструктивного исполнения. Тангенциальный подвод потока оказывает турбулизирующее влияние на течение по всей длине канала и создает благоприятные гидродинамические условия для переноса тепла не только от вогнутой, но и выпуклой поверхности, что способствует повышению эффективности теплообмена при течении в осесимметричных каналах.

Результаты выполненной работы вносят дополнительную информацию в вопросы теории теплообмена и направлены на решение проблемы интенсификации конвективного переноса тепла при движении газообразных теплоносителей в кольцевых каналах теплоэнергетических установок.

1. Абракян A.A., Алимов Р.З., Лукьянов В.И. Исследование аэродинамики закрученного потока воздуха в системе вихревая камера цилиндрический канал. - Деп. в ВИНИТИ 14.09.84., № 6322.

2. Алимов Р.З. Исследование закономерностей течения и тепломассообмена в одно- и двухфазном (газо-жидкостном) закрученном потоке: Автореф. дис. д-ра техн. наук.- Казань, 1971.- 56 с.

3. Алимов Р.З., Лукьянов В.И. Гидродинамика и теплообмен при течении закрученного потока воздуха в условиях летательных аппаратов: Тр. КАИ -Казань, 1982. с. 34-41.

4. Андреев М.М., Берман С.С., Буглаев В.Т., Костров Х.К. Теплообменная аппаратура энергетических установок. М.: Машгиз, 1963. - 240 с.

5. Анипко Б.В., Анипко О.Б. Теплообмен в канале с рифленым профилем поверхности. Энерг. машиностр.- 1990.-№49.- с. 59-61.

6. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Р.Б. Ахмедова.- М.: Энергия, 1977.-240 с.

7. Барановский Б.В., Зарякин А.Е. Турбулентные течения и некоторые пути их расчета. М.: ALVA - XXI, 1991. - 92 с.

8. Беленькая Л.И. Обоснование рациональных конструктивых параметров и режимов работы топочных устройств сушильных установок сельскохозяйственного назначения: Дис . канд. техн. наук. М., 1984. 178 с.

9. Беленькая Л.И., Курбатская H.A. Пути интенсификации теплообмена • в рекуперативном воздухоподогревателе. В сб. под ред. В.Т.Буглаева «Физическиепроцессы и явления, происходящие в теплоэнергетических установках». -Брянск: изд-во БГТУ, 1997.- с. 47-53.

10. БеленькийМ.Я., ГотовскийМ.А., ЛекахБ.М. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формованных сферическими лунками. -ТВТ. 1991, Т. 2,6. - с. 1142-1147.

11. Блер. Влияние турбулентности внешнего потока на теплообмен и развитие среднего профиля турбулентного пограничного слоя. Теплопередача. Тр. амер. об-ва инж.-мех., 1983,- № 1.- с. 32-41.

12. Борисов A.B., Конюхов Г.В., Петров А.И. Ослабление местной закрутки газа в канале кольцевого сечения. Инж.-физ. ж.- 1985.- 48, № 4.- с. 568-574.

13. Буглаев В.Т., Василев Ф.В. Гидродинамика и теплопередача в сложных каналах теплоэнергетических установок. -Брянск: Издательское товарищество "Дебрянск", 1992.- 188 с.

14. Буглаев В.Т., Курбатская H.A., Беленькая Л.И. Исследование теплоотдачи в кольцевых каналах воздухонагревательных устройств. В сб. под ред. В.Т.Буглаева «Интенсификация работы теплоэнергетических установок». - Брянск: изд-во БГТУ, 2000.- с. 93-106.

15. Ван, Симон. Измерение тепловых и гидродинамических характеристик в переходных пограничных слоях на выпуклой поверхности,- Энергетические машины и установки. Тр.амер.об-ва инж.-мех., 1988.- № 3.- с. 108-121.

16. Варгафтик H. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

17. Ватажин А.Б. и др. Интенсификация теплообмена при деформации профиля скорости.МЖГ. 1993.- № 4.-е. 94.21 .Волчков Э.П. и др. Аэродинамика вихревой каверны -Механика Жидкости и Газа. -1991.- № 3.- с. 158-164.

18. Вопросы механики вращающихся потоков и интенсификация теплообмена в ЯЭУ/Каменыциков Ф.Т., РешетовВА., РябовА.Н.идр. -М.: Энергоатомиздат, 1984.- 176 с.

19. Вулис J1.A., Устименко Б.П. Об аэродинамике циклонной топочной камеры.-Теплоэнергетика, № 9, 1954.- с. 3-10.

20. Гад-Эль-Хак, Бушнелл. Управление отрывом пограничного слоя. Обзор.-Совр. машиностроение. Тр. амер. об-ва инж.-мех. Сер. А, 1991.-№ 7.- с. 2-35.

21. Геращенко O.A., Гордов А.Н. и др. Температурные измерения. Справочник.-Киев: «Наукова думка». -1984.- 494 с.

22. Гольдштик М.А., Леонтьев А.К. Аэродинамика вихревой камеры.-Теплоэнергетика.- 1961.- № 2.- с. 40-45.

23. Гольдштик М.А. Вихревые потоки.- Новосибирск, Наука.- 1982.- 386 с.

24. Готовский М.А. Интенсификация конвективного теплообмена и самоорганизация вихревых структур. Теплоэнергетика. -1995, №3. - с. 55-60.

25. Гришин В.К., Живописцев Ф.А., Иванов В.А. Математическая обработка и интерпретация физического эксперимента. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. - 318 с.

26. Гупта А.и др. Закрученные потоки.- М., Мир, 1987.- 588 с.

27. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1974. - 330 с.

28. Данилов Ю.И., Дюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.А. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы. М.: Машиностроение, 1986.

29. Двойнишников В.А. и др. Исследование аэродинамики вихревой камеры сгорания.- Изв. АН Энергетика.- 1994.- № 2.- с. 133.

30. Долгов В.Н. Аэродинамика и теплообмен циклона-утилизатора теплоты запыленных газов :Дис.канд.техн.наук 05.14.09.-Свердловск, 1988,- с. 161;

31. Дорфман А.И. Сопряженные задачи теплообмена в ребрах (обзор). -Пром. теплотехн.- 1989.- № 6.- с. 3-18.

32. ЕнютинГ.В. идр. Влияние скоса потока на аэродинамическую эффективность мелкоребристых поверхностей.-Изв. АН СССР МЖГ.- 1991.- № 1.- с. 37.

33. Ершов И.А. Исследование теплообмена при течении теплоносителя по осесимметричному кольцевому каналу //Труды II Российской национальной конференции по теплообмену. Т.8. Студенческая секция. Тезисы докладов. -М.: Изд-во МЭИ, 1998. с. 23.

34. Ибрагимов М.Х. идр. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах.-М., Атомиздат.- 1978.- 296 с.

35. Исаченко В.П., ОсиповаВ.А., Сукомел A.C. Теплопередача.- М.: Энергоиздат, 1981.-416 с.

36. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 152 с.

37. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1981. -208 с.

38. Калишевский JI.JT. идр. Циклонные топки.- Госэнергоиздат. , 1958.- 216 с.

39. Карпов C.B., Сабуров Э.Н. Аэродинамика циклонной камеры с цилиндрическими соплами.- Изв.вузов. Энергетика.- 1975.- № З.-с. 129.

40. Кацнельсон Б.Д., Шатиль A.A. Исследование теплообмена в горизонтальной циклонной камере горения с воздушным охлаждением.-Энергомашиностроение, 1959.- № 3- с. 8-13.

41. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: Энергия, 1977. - 464 с.

42. Кирпичев В.М., Михеев М.А. Моделирование тепловых устройств. М.: Издво АН СССР, 1936. 320 с.

43. Козулин H.A., Ершов А.И. Исследование теплообмена в циклонном аппарате с различным исполнением теплопередающих поверхностей,- Изв. вузов, Энергетика.- 1961.- № 6.- с. 82.

44. Конюхов Г.В., Петров А.И. К определению эффективности теплообменных поверхностей в условиях конвективного теплообмена. Изв. АН СССР. Энерг. и трансп.- 1990.- № 3.- с. 168-171.

45. Конюхов Г.В., Петров А.И., Смирнов Ю.Г. К определению характеристик теплообмена в канале кольцевого сечения со спиральным оребрением.-Инж.-физ. ж.- 1985.- 49, № 4.- с. 562-571.

46. Краус. Анализ развитых поверхностей теплообмена,- Совр. машиностроение. Тр. амер. об-ваинж.-мех. Сер. А, 1989.- № 6.- с. 57-68.

47. Кунтыш Н.Б., Кузнецов Н.М. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения. С.-Пб.: Энерго-атомиздат. Санкт-Петербург, отд-ние, 1992.- 280 с.

48. Леухин Ю.Л. и др. Движение газов в кольцевом канале с циклонным генератором закрутки.- Изв. вузов. Энерг.- 1990.-№ 10.- с. 86-90.

49. ЛеухинЮ.Л. и др. Конвективный теплообмен в кольцевом канале с циклонным генератором закрутки.- Изв. вузов. Энерг.- 1990.- № 9.- с. 86-90.

50. Малик, Плетчер. Исследование некоторых моделей турбулентности для течения и теплообмена в кольцевых каналах. Теплопередача. Тр. амер. об-ва• инж.-мех., 1981.- № 1.- с. 168.

51. Мигай В.К. и др. Методика сравнения интенсифицированных поверхностей теплообмена. -Изв. вузов. Энерг.-1990.- № 9.- с. 101-103.

52. МитрофановаО.В., Болгенко Э А Гидродинамика и теплообмен в винтообразных каналах //Труды II Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. -М.: Изд-во МЭИ, 1998. с. 162-165.

53. Мукерджи, Бисвас, Наг. Анализ теплообмена закрученного потока в трубе на основе второго начала термодинамики. Совр. машиностроение. Тр. амер. об-ва инж.-мех. Сер. А, 1988.- № 1.- с. 22-28.

54. НевскийА.С. Лучистый теплообмен в печах и топках.-Минск: Металлургиздат, 1971.- 439 с.71 .Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -Л.: Энергоатомиздат, 1991. 304 с.

55. Осташев С.И., Сабуров Э.Н., Смолина Н.В. Исследование циклонного потока в окрестности круглой соосной с ним трубы. Изв. вузов. Лесной журнал, № 3, 1997. - Архангельск. - с. 128-140.

56. Петухов B.C., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 470 с.

57. Петухов B.C., Поляков А.Ф. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции. М.: Наука, 1986 .- 192 с.

58. Петухов B.C., Ройзен Л.И. Обобщенные зависимости для теплоотдачи в трубах кольцевого сечения.-ТВТ, 1974,т.12,№3. с. 565.

59. Печенегов Ю.Я. Теплообмен турбулентного потока в трубе при больших температурных напорах //Труды II Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 2. Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М.: Изд-во МЭИ, 1998. - с. 212-215.

60. Пиир А.Э., Кунтыш В.Б. Выбор технико-экономических скоростей газовых потоков в рекуператорах.- Изв. вузов. Энерг.- 1975.- № 3.- с. 126-129.

61. Плетчер. Достижения в области исследования турбулентной вынужденной конвекции.- Совр. машиностроение. Тр. амер.об-ваинж.-мех. Сер.А, 1989.-№6.-с. 12-31.

62. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. JL: Энергия, 1978. - 262 с.

63. Ройзен JI.H., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. Под ред. В.Г. Фастовского. М.: Энергия, 1977. - 256 с.

64. Сабуров Э.Н., Орехов А.Н. Аэродинамика циклонной камеры большой относительнойдлины.-Изв.вузов. Энергетика.-1995.- № 3-4.- с. 82-87.

65. Сальсе,. Саймон. Исследование влияния закрутки потока на теплообмен в цилиндрической полости.- Совр. машиностроение. Тр. амер. об-ва инж.-мех., 1991.-№8.-с. 16.

66. СвириденковА.А., Третьяков В.В. Экспериментальное ииследование смешения турбулентных противоположно закрученных струй на начальном участке в кольцевом канале. Инж.-физ. ж.- 1983.- 44, № 4.- с. 205-210.

67. СвириденковА.А., ТретьяковВ.В.,ЯгодкинВ.В. Об эффективности смешения коаксиальных потоков, закрученных в противоположные стороны. Инж.физ. ж.- 1981.- 41, № 3.- с. 407-413.

68. Созиев Р.И. Теплопередача при турбулентном течении теплоносителя. -Теплоэнергетика. 1990.- № 8 .- с. 56-57.

69. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т. 1/Пер. с англ. Под ред. Б.С.Петухова, В.К.Шикова.-М.:Энергоатомиздат, 1987.-560 с.

70. Стоянов Н.М. Энергетическое обоснование и сравнение методов техникоэкономической и энергетической оптимизации конвективных поверхностей теплообмена. Инж.-физ. ж.- 1989.- 57, № 4.- с. 584-589.

71. Теория и техника теплофизического эксперимента. Под ред. В.К. Щукина.-М.: Энергоатомиздат, 1985.- 360 с.

72. Теория турбулентных струй / Под ред. Г.Н. Абрамовича. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 720 с.

73. Тепловой расчет котоельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973.- 296 с.

74. ТойбертП. Оценка точности результатов измерений. -М.: Энергоатомиздат,1988.- 88 с.

75. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев, Наук, думка,1989.- 192 с.

76. Халатов А.А., Боротто А.Н. Оптимальные геометрические параметры пшековых завихрителей с центральным отверстием. Пром. теплотехн.- 1984.- 6, № 5,-с. 7-11.

77. Халатов А.А., Шевчук И.В., Митрахович М.М. Численное моделирование динамического и теплового пограничного слоя на выпуклой поверхности,- Пром. теплотехн.- 1990.- 12, N° 6.- с. 28-33.

78. Шевценко С.Н., Брюханов О.Н. Управление радиационным теплообменом в каналах щелевых рекуператоров.-Пром. теплотехн.- 1989.- № 6.- с. 61-63.

79. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя, 3-е изд. М., 1974.- 712 с.

80. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 332 с.

81. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах.- М.: Машиностроение, 1982. 200 с.

82. Dalle Donne М., Meerwald Е. Heat Transfer and Friction Coefflsients for Turbulent Flow of Air in Smath Annuli at High Temperatures. Int. Journal of Heat and Mass Transfer.- vol 16, 1973, pp. 787-809.

83. Hwang Jenn-Jiang, Lion Tong-Mun Effect of permeable ribs on heat transfer and friction in a rectangularchannel.- Trans. ASME J. Turbomach.- 1995.- 117, № 2.-p.265-271.

84. Khalil E.E.Heat Transfer to Turbulent Pipe Flows With Swirl and Following a Sudden Enlargement.-Proc. of the Seventh Int. Heat Transfer Conf., FC10, 1982.

85. Lee C., Savage J.W., Bobo M. Scaled Heat Trancfer Surface with Protruding Ramp Surface Turbulentors: Пат. 5361828 США.

86. Sridhar К., Tu R.K.C. Experimental investigation of curyature effect on turbulent wall jets //The Aeronaut. J. Roy. Aeronaut. Soc. 1969. Vol. 73.