Исследование и расчет свободно-конвективного теплообмена в горизонтально-трубных теплообменниках АЭС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Р Г 3 00 - 1 ИА1? 1993

ВСЕРОССИЙСКИЙ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ (ВНИИАМ)

На правах рукописи

КАЗНАЧЕЕВ А Ирина Валериевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ СВОБОДНО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ГОРИЗОНТАЛЬНО-ТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ АЭС

Специальность: 01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —1993

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧЕЮ-ЦССЛЕЙРВЯГЕШЖИЙ И ПРОЕПНО-ШСТРШОРСМЙ ИНСШЕУТ АТОМНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ (ВНИКАЯ)

~ На правах рукописи

КАЗНАЧЕЕБА ИРИНА ВАЛЕРИЕВНА

КССВДЗВАНйа И РАСЧЕТ СЕСЕОда-КОНВЕКТйБШГО ТШКЮШЕНА В ГОРйЗОНТАлЬНО-ТРУШЫл ТЕШООШЕНШКАХ АЭС . : ,

Специальность:01.04.14 - теплофизика и ■ молекулярная физика

- АВТОРЕФЕРАТ

• диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

- 2 - ' ■ Работа выполнена на кафедре физики Калужского Государственного педагогического института шл.К.Э.Циолковского. Научный руководитель: доктор технических наук, •

профессор Шкдовер Г.Г. Официальные оппоненти - доктор технических наук, профессор

Козловский С.П. -

кандидат техн.наук,ст.н.сотрудник • Алексеев Ю.П. Бедуцая организация - Энергетический институт

кы.Крзплановскога. Защита диссертации состоится " 1993г. В

/6

/ часов за заседании специализированного совета Д 145.02.01 пс присуздениз ученой степени кандидата технических наук при Всероссийском Научнс-Исследовательском и Проектнс-конструктор-ском институте Атоинсгс, энергетического машиностроения по адресу: 125171 ,лссква,ул.Космонавта Волкова, Са.

С диссертапиеЛ ыокнс ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " а. 19ЭЗг. '

УченыЯ секретарь специализированного совета ' кандидат технических наук ■

Назаров .0.11.

АННОТАЦИЯ

Целью -диссертационной работы язляется теоретическое, исследование теплообмена свободной конвекцией в горизонтальных рядах гладких и сребренных труб.

В работе решены следующие, задачи. Проведено теоретическое исследование свободно-кснвективного теплообмена горизонтальных труб в сопряженной постановке задачи, при которой взаимосвязанные уравнения теплопроводности и сво -боднсЯ конвекции ренаятсл одновременно. Разработан алгоритм расчета для одиночного горизонтального цилиндра при вынуг:сдекнс'! конвекции внутри и сзсбодно-кснзективнсм теплсобмен-з снаружиг и: показана возможность применения данного .алгоритма для решения инженерных задач в случае одиночной горизонтальной трубы и в случае одноходовсгс гсризонтальнс-трубнсгс теплообменника. Разработаны алгоритм и программа расчета гидродинамики и теплообмена пр" свсбсдкс-кснзс-ктивнсм течении нес-шаемоП -идкссти в горизонтальнее ряд,- труб с двусторонним плавниковым оребре-

нием..Рассматривались отдельно случаи изотермического ребра и

»

ребра с заданным коэффициентом теплопроводности. Получены данные по .локальному и среднему теплообмену гладких и оребренных труб а диапазоне параметров теплоносителей, характерном для действующего теплосбиенного оборудования АЭС.

Исследовано влияние на теплоотдачу длины ребра и шага трубного пучка. Даны рекомендации по проектирование теплообменник аппаратов с сребренными трубами.

АБТОР ЗАИЩАЕГ :

- метод расчета сопряженной задачи при вынужденной конвекции внутри и.свободной конвекции снаружи горизонтальной, трубы ;

- результаты расчета сопряженной задачи в широком диапазоне изменения' параметров ;

- результаты теоретического исследования теплообмена в горизонтальном ряду.сребренных труб ;

- способ интенсификации теплообмена в горизонтальном ряду сребренных труб путем выбора оптимальной величины лагаи длины ребра % .

. ОЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Процессы свободно-конвективного теплообмена широко распространены в различных областях техники,в т.ч. в электронной, химической, пищевой, легкой промышленности .и металлургии. Б связи с появлением новых возобновляемых источников энергии и. необходимостью экономии ресурсов появляются промышленные процессы, основанные непосредственно на механизме свободной конвекции. Отсутствие ряда дорогостоящего оборудования (касосов.вентиляторов) дает экономию ресурсов и повьшает . надежность свободно-конвективных систем теплообмена по сравнению с другими. Б атомной энергетике естественная циркуляция является основным механизмом .охлаждения активной зоны реактора при аварийных режимах.

Выполненный к настоящему времени объем экспериментальных и теоретических работ по данному разделу теплофизики оказывается недостаточным. Хорош обоснованная теория разработана для ламинарного 'режима свободной конвекции в пограничных слоях. С развитием методов исследований и .вычислительной техники стало

возможным получение численных решений для ламинарного режима течения в шрокой области определяющих параметров. Ко даже для этих условий многие проблемы, имеющие црактичеЬкий интерес, ос- ' таются нерешенными.

Все вышесказанное характеризует акутальность задачи исследования свободно-конвективного теплообмена в трубных пучках, которые являются неотъемлемой частью большинства современных теплообменных аппаратов. Особенно важна задача интенсификации теплообмена в трубных пучках. .

Научная новизна ' выполненного исследования заключается в следующем:

*

- разработано алгоритмическое и программное обеспечение для решения, задачи о сопряженном теплообмене в горизонтальной трубе при вынужденной конвекции внутри и свободной конвекции снаружи. Показана возможность обобщения полученных результатов на случай одноходозого горизснтально-трубного пучка;

- разработаны алгоритм и программа расчета гидродинамики и теплообмена при свободно-конвективном течении несжимаемой жидкости в горизонтальном ряду труб с двусторонним- плавниковым оребрением. Рассматривались отдельно случаи изотермического ребра и. „ребра с заданным коэффициентом теплопроводности ;

- получены данные по локальному и среднему теплообмену гладких и сребренных труб для чисел Прандтля 0,7 и 5,0; в диапазоне чисел Релея /?# = относительной длины ребра = = 0___1,$*шага ряда б"= %параметра,учитывающего теплопроводность ребра

Достоверность' научных выводов и положений диссертации основывается на применении надежных методик численного эксперимента с применением современных средств и методов расчета и •одтверждается проведенной оценкой точности, а также соответст-

- 6 - . •

вие.м теоретическим и'экспериментальным данным других исследователей.

Практическая ценность работы

- создано■алгоритмическое и программное обеспечение для расчета однсходовых теплообмеников на принципе свободной конвекции. Алгоритм расчета позволяет учитывать геометрические -характеристики пучка, переменность теплофизических свойств-теплоносителей, коэффициент теплопроводности стенки и другие конструктивные параметры ;

- разработана методика расчета теплообменников с оребрен-ными трубами-на принципе свободной конвекшш. Показана возможность увеличить теплосъеи с оребренной трубки при умеренных числах Релея з 6-7 раз ;

- предложен способ Интенсификации свободно-конвективного ' теплообмена в горизонтальном'.ряду труб с плавниковым оребре-

низм за счет выбора оптимального шага ряда и высоты ребра.

Апробация- работы. Ссковные результаты работы докладывались на х Бсессюзной сколе молодых ученых и специалистов (г.Ново-. сибирскД9££,1ГК СО АН СССР), на С Всесоюзной конференции Актуальные вопросы теплофизики и физпческои гидрогазсдина^икп" С г.Новосибирск,1969 ), на конференциях по актуальным проблемам создания и эксплуатации турбинного оборудования (г.Свердловск, 1966 и 1969), а такие на Международной конференции в Праге ГНШ-90 (ЧССР,1990).

Результаты исследований внедрены на-ПО"Калужский турбинный заБСд". Скидаемый экономический эффект составляет около 50000 руб.в год.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано II печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа- состоит

из введения, трех глав,общих выводов, списка литературы, насчитывающего 90 наименований и приложений. Объем работы 151 страница, включая 40 рисунков, 2. таблицы и приложение на ГВ страницах.

Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы и дано краткое изложение основных положений диссертации.

Первая глава посвящена анализу состояния проблемы теплообмена ,свободной конвекцией в пучках горизонтальных труб. Исследовано состояние вопроса о сопряженном теплообмене в случае, когда одна из составляющих - свободная конвекция. Дан анализ работ по свободно-конвективному теплообмену в сребренных трубах.

Бо второй главе рассмотрена сопряженная задача свободко-хснзективного теплообмена, для которой уравнения теплопроводности и свободней конвекции решаются одноврменно. Получен алгоритм расчета для одиночного горизонтального цилиндра и показана возможность его применения з случае пучка горизонтальных тру5.

3 третьей главе разработано алгоритмическое и программное обеспечение для расчета свободно-конвективного теплообмена в горизонтальном ряду труб с плавниковым оребрением.

- 8 -

ОСНОВНОЕ'СОДЕК5АНИЕ РАБОТЫ \

. В практических приложениях встречаются ситуации, когда горизонтально-трубный теплообменник размещается в неподвижной жидкости. Внутри горизонтальной'трубк имеем.вынужденную конвекцию, снаружи - свободную. Это течение нефти, • мазута и-других нефтепродуктов по трубопроводу, который на отдельных участках • монет располагаться на открытом воздухе или в глубине водоема [Тугунов П.И.]. Для подогрева нефти в танкерах и других емкостях используется пар, подведенный в трубопровод, размещенный 'на дне емкости, После полной конденсации пара получаем • вынужденную конвекцию воды внутри и . свободную конвекцию, нефти сна-руки [$аипс1.%2з Я. 3.] % Особое значение .свободно^кснвективкый теплообмен приобретает в атомной энергетике, особенно в режимах пуска-останова и в аварийных ситуациях.

Расчет теплообмена в этих случаях затрудняется тем, что при охлаждении видеости внутри цилиндра меняется температура внешней поверхности стенки цилиндра, а значит внешний коэффициент теплоотдачи. При этом коэффициент теплопередачи непостоянен вдоль оси цилиндра,.следовательно, нельзя пользоваться методами расчета, разработанными для теплообменников с вынужденной конвекцией внутри и снаружи труб.

Для вертикального цилиндра в подобной же постановке зада-■ча решается численным методом [ Сперроу,/5?агхри 3 - Для горизонтального цилиндра решение численным'.методом получено в работе £1 псгорега 3 Код . ' - •

В данной работе предлагается приближенный аналитический способ решения задачи теплообмена на горизонтальной трубе при сопряженной постановке граничных условий.

Общая схема.течения для горизонтального' цилиндра приведена на р;ис .1. •

Жидкость с объемным расходом к/ и температурой . поступает на вход цилиндра с внешним диаметром -О и внутрен-. ним '-с/ .. • Длина цилиндра X , на выходе трубы температура жидкости . Снаружи цилиндра имеется другая/жидкость, которая вдали от стенок неподвижна и имеет температуру Т0 .

При экспериментальном-исследовании горизонтально-трубных пучков мы получаем информацию о перепаде температур между зхо-дом и выходом пучка. Для того, чтобы результаты исследования . данного пучка с неизотррмической стенкой можно было использовать в других случаях,'.необходимо на основе-этой информации получить- закон теплоотдачи свободной конвекцией для изотермической стенки* Возникает необходимость решить следующую задачу: для заданных температур % и Т^- ,а также известной длины / ,. определить зависимость внелиего коэффициента- теплоотдачи ¿х. от температуры .

При отношении 4$ 5 5 внешнее свободно-конвективное тече-. ние можно считать двухмерным. При этом задача по координате £ становится параболической и ее можно решать ,(последовательно) для каждого сечения. В работе [Нае/гл ^ЯрДйя^показано,что с . .достаточной для практических пелей точностью для внесшего течения вместо двухмерного случая можно перейти к одномерному", i.e. рассчитывать теплообмен на. основе средних по периметру цилиндра .значений температуры стенки и ксэфришента.теплоотдачи.

Полагаем, . Тогда можно записать, что = ...

= РА '' С^с^ ~ > где м - показатель степени ( />г =

= 0,25

— для ламинарной, и /?7 = 0,33 _ — для турбулентной, конвекции), ¿V - некоторая константа, которую требуется опреде-) лить по заданным значенйяы f L'

Запиши уравнение теплового баланса для участка длиной dZ

■ (I)

где-тепловой поток. ¿jc (2) связан с температурным напором

• Здесь К - коэффициент теплопередачи, который учитывает коэффициенты теплоотдачи как с внутренней стороны трубы,, так и с внег:-ней. Коэффициент теплоотдачи трубы Ьнутри o(Lt согласно работе £ ¡¿укаускас A.A.J можно считать постоянным.

Зная </{ и С\с можно вычислить температуру' стенки с внутренней и внескей стороны

%< = тж - (з)

Тег,*" Tct —(¿¡сВ&лРМ)/(¿Ле) Учитывая (2) и 13), уравнение (I) можно свести к виду

1густв (2-0)= ■

. ■ Интегрируя (4) от 0 до £ и взодя величину удельного теплового потока б конце цилиндра ¿f г - ¿fc(Z=- ■{) .получаем

ел - \ ^

(* X р с^ ^ '"А* | гп+£

V. м 4 Я2-'

енниям

)

Учитывая,- что Яе'^С^з,- ' гтРи:с0Дим к ссотно-

Б результате преобразований получаем систему трех уравнений: с треня неизвестными С* ) ^ j - Решая ее мо:шо найти величину (!а .

Б безразмерной виде эта система выглядит так:

✓V. /-> / . ~ Л

(5)

-]

Здесь: /(7*, - ~ относительный темпера-

турный напот;, ^-Я-^/^-Т.) /

' - безразмерный' расход гкидкости внутри иилиндра. Система .(5) решается методом, итерапий. Некоторые результаты репения системы- уравнений приведены на рис.2.

Рас. 2 Зваченаа Т^А .4$ .расстканям яэ састем (5). Значвв1Я.Г : I -1.0; 2 -0.1; 3- враЛлзтенза« рвэезае.

; При-малых перепадах температуры вдоль трубки можно получить приближенное аналитическое решение для ¿«1 -1=1+ (?-ь)/(д- > .

- ' % - й(А-ь) ' ; с = ф

Приведенный алгоритм для одиночного горизонтального пилинд-. ра полностью применим и к случаю пучка горизонтальных труб.,если для среднего коэффициента теплоотдачи пучка известна критериальная. зависимость для внешнего коэффициента теплотдачи. Проведено сравнение с данными работы ГЗпегорегс? Р-Р.^Род Расхождение не превышает 3%. Достоинством предлагаемого метода по сравнению с работой [Тпсгорегч > 1 является простота и экономичность, поскольку не требуется численного интегрирования.

Было проведено танке сравнение с.данными экспериментального исследования теплоотдачи к воде горизонтального цилиндра, проведенного в лаборатории теплофизики КГПИ им.Циолковско'го. 'Б эксперименте определялись■ температуры жидкости на входе и' выходе трубки и,с помощью заделанного в трубку термометра сопротивления, среднеинтегральная температура стенки. При экспериментальной ошибке определения ^-.порядка 0,2^°С расхождение между расчетом и экспериментом'составляло 0,2.-1°С, т.елюрядка 1,2 - 2,9%. Был, проведен также .эксперимент на пяти трубках, соединенных последовательной При этом каждая' из пяти трубок работает в условиях начального участка,когда <¿1 еще не установился, и наблюдается некоторое превышение экспериментально измеренной температуры над расчетной в начале каждой трубки (рис.хотя в .целом между значениями измеренной и расчетной температуры наблюдается хорошее согласие.

5

О Ш 02 03 0.4 05 0.6 0.7 08 0.9 10

--...........------ •■

Рис. 3 Профиль температуры вдоль оса труйкя. I- эксперимент, 2 - расчет. Тешернтурн: Тд- = 40,7°С, Т2=30,4°С, ■ Т0=Э,7°С,-число Рейнольдеа 2е=8510, соедний коэффици-. ент теплоотдачи внутри «¿^ =4300 .снаружи

¿2 =315 Вт/Йс.

Разработано программное обеспечение, позволяющее решать задачи проектирования и расчета подобных теплообменников как в случае произвольных теплоносителей, так и для конкретных пар типа воздух- воздух', вода - вода и др.

В работе исследовалась возможность интенсификации теплег-'обмена с помощью продольного плавникового оребрения. Имеется .ряд работ, посвященных изучению влияния плавниковых ребер на теплообмен одиночной■трубки, но данных,посвященных горизонтальному ряду труб с оребрением в известной автору литературе нет.

Численным методом исследовался погруженный в жидкость ряд горизонтальных труб с плавниковым оребрением. Шаг^ряда Температуру стенки Тс- считаем постоянной. Температура жидкости вдали от пучка равна • • Параметры жидкости считаем постоянными и используем приближениям Буссинесна.■

Ограничим расчетную область поверхностью трубы и осями симметрии, проходящими через центр трубы и середину межтрубного пространства, а также плоскостями АБ и А* Б1', достаточно удаленными' от поверхности трубы (рис.4).

Рес. 4 Расчетная область.

- 15 -

Запишем уравнения движения,неразрывности и энергии в -безразмерном виде:

^ Эх ■ V* Эх*

„ 21+ ¿V, Ihr

. . и vT- ЭУг \ .

Ъи. + ,9JT^ Q (7)

^

~Гх -рГЛтТ*

В качестве масштаба скорости выбираем величины JD и j^p. Для решения задачи использовался численный метод, списанный з работе £ ШнловераГ.Г.ГусеааС.ЕГ. J . В расчетной области вводилась равномерная прямоугольная сетка с.шагом Н. Еыбор сетки связан с необходимостью получения решения для тесных' пучков при малых значениях . .

Граничные условия для системы (7) зададим исходя из условий симметрии. На границе ДА*, (кроме поверхности трубы)' пола-

О / / ^ XL . I

гаем . при У = О —— г ¿Г= —— = Q . ..На границе ВВ при ■ ä

■ц- /2 полагаем также -' -if~ . На позерхнос-

^jf

ти трубы и ребер и = V-Oj &-£. •

Для определения граничных-условий на входном участке А5 и выходном.А*Б1 воспользуемся аналитическими условиями для

бесконечно большой длины расчетной области. При Х- О пола -

„ hu ' 'г, - п ■ , ' . Эй

гаем -0 ,при Х-Ь .соответственно ~ -

= 7T=s =£7 .

. ?У 3 5"

Результаты получены в диапазоне чисел Релея

геометрических параметров /ф = 2^2,0 и длины ребра "733= = 0-1,3 при двух значениях числа ЕГрандтля Pz = 0,7 и 5,0.

По результатам исследования горизонтального ряда гладких труб в работе Q Шкловера Г.Г. ,Гусеза C.S. ] в ламинарной сб-

ласти зыделены три режима свободно-конвективного теплообмена: ползущий,переходный и режим пограничного слоя. Исходя из тоге что физическая картина одинакова,'подобную классификацию иожне распространить и на.случай оребренных труб. Б переходном режш и режиме пограничного слоя введение .оребрения обычно не приводит к изменению режима теплообмена. 'Переходный режим сохраняем ся при увеличении относительной длины ребра до' ^/ф = 0,4. Изотермы'для' случая приведены на рис.п.

Рис. 5 Изотерма в горизонтальном ряду оребренных трубЛясло Релея Еа=104 .чгсло Прандтля Т^^ ,шагс?=1,24. Безразмерная длина ребра а)§=0 ; 0)|=0,18;

в) ¿=0,43. Р

Вблизи нижнего ребра характер расположения изотерм напоминает случай вертикальной пластины, около верхнего - все пространство заполнено прогретой жидкостьэ.

При увеличении длины ребра ¿/р коэффициент теплоотдачи трубки монотонно падает, причем падение происходит быстрее для Более тесных пучков. Ка рис.6 приведены относительные коэффи- • пиенты'теплоотдачи для нинкего и верхнего.ребер, а таю?.е цилиндрической части.

Ряб. 6 Средняя.относительная теплоотдача плавниковых ребер.

для гладкой трубы,все данные для Еа=Ю4,Ю5.

Шаге?:1-1,27; 2 - 2,0. Залвтыа значки- верхнее ребро,незалитые значка- ниянее ребро. о,£-Ва=10 .

С увеличением У$> у ниннего ребра интенсивность теплоотдачи сначала растет, -при = 0,2-0,3 достигает, максимума,- а затем падает. У нижнего ребра коэффициент 'теплоотдачи в 2,5-4,0 раза выше, чем у верхнего./Бо всех случае он увеличивается при увеличении пата ряда. В то же в^еия у цилиндрической части теплоотдача монотонно падает с увеличением длины ребра. .Зто связано с прогревом жидкости, натекающей-на цилиндрическую часть от нижнего ребра. .

Тем не менее,.в связи со значительным увеличением общей поверхности теплообмена и умеренным падением коэффициента теплоотдачи общий тепловой .поток-6р снимаемый с оребренной трубки ряда,больше, чем у гладкой. При 0,7 увеличение

теплосьема достигает от 17^ для = 1,27 ; до 37^ для

п£'! этом-площадь теплссбменной поверхности увеличивается на 69^ .

* 4 5'

Изменение числа Релея с = 10 . - до =10 вызы-

вает увеличение теплосьема на 7СЙ при неизменном 6*-^= 1,27.

. Относительный вклад в общий тепловой поток отдельных частей трубки иллэстрирует рис.7.

ОТ. у

«И

И

<ь

■

- ■ А, --5

! , ъ , 1

г аа аг аз аз а.? аг 2Г

Рас. 7 ОтвосатвльныЗ вклад в тепловой поток (Хт отяалвннх частей тр?бкл,гдэ 0.^=1,2,3. Нязшеа ребро -I .цллянд-рзческая. часть -2 .верхнее ребро -3 .Число Релвя Еа= Ю4,!^; пат рядасГ: 4-1,27; 5- 2,0.

- IS -

• ч

Пусть■■ Qr,

где индексы 1,2 и 3 откосятся к нижнему ребру, цилиндрической части и верхнему ребру соответственно. Видно, что вклад верхнего ребра весьма незначителен, и только при достаточно длинных ребрах достигает 1С??. У нижнего ребра вклад более существенен и составляет около. 20% при = 0,7. От шага ряда эти значения. зависят слабо. Полученные результаты относятся к переходному режиму и режиму пограничного слоя.

Ситуация.меняется при. переходе к меньшим.числам .Релея до

* '

Rn = I03 . При увеличении коэффициент теплоотдачи монотонно растет, увеличиваясь при ^^ 1,0-1,3 более, чем в 3 раза по сравнению с гладкой трубой.

В целом тепловой поток от оребренкой трубки при малых числах Релея может возрасти а 7-8 раз, причем с ростом увеличение теплосъема происходит почти пряглопропорционально. Роль верхнего ребра' при этом незначительна, у нижнего-может составлять до 30£ от общего теплового потока. .

Для учета процессов теплопроводности в ребре толщиной с коэффициентом теплопроводности 'материала. hp вводится безразмерный комплекс CR р _

h

Здесь fi^ - коэффициент теплопроводности жидкости.

Расчеты показали,что д?;£Э в случаях достаточно малых ■ средняя теплоотдача .очень мало отличается от случая изотермического ребра (при Cg-;> •=•*»).. Даже для достаточно длинного ребра 1,318 .(при Qz '= 220, . Рг = 5,fa = Ю3 , <о =

.= 1,27), температура всех точек ребра отличается не более,чем на от температуры основания ребра. Полученный результат подтверждает выводы работ Володина В.И. и Лукашевича А.Г.

: ' ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И О ШОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

' ИССВДВАЙИЙ ' ' \ ' ' : -

1. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для решения задачи о сопряжённом теплообмене в горизонтальной трубе при вынужденной конвекции вцутри и свободной конвекции снаружи трубки. В том числе'' '

а) Решены задачи конструкторского .расчета (определения необходимой длины трубки при заданном теплосъеые), теплового . расчета (определение температуры на выходе трубки цри заданных геометрических параметрах) и определение закона' теплоотдачи при известных геометрических размерах и перепаде температур на -трубке. -

б) Разработано программное обеспечение для всех трех задач. Программы допускают расчет для любых типов жидкостей" при условии ввода их теплофизических свойств. Для-удобства .пользователя разработана также специализированная программа для конкретных жидкостей внутри и -снаружи трубки (вода-вода). Возможна достаточно простая замена" на любой другой тип теплоносителя'как снаружи, так и внутри трубки..'

в) Проведены демонстрационные расчеты, иллюстрирующие влияние на интенсивность теплоотдачи длины .трубки, ее наружно- •' го и.внутреннего диаметров, температур жидкостей, скорости потока внутри трубки, коэффициента теплопроводности материала стенки. •••'•.■ _ . ' ■ ' ' Г. - • .

г) Показана возможность--обобщения'-полученных .результатов; на случай'одноходовог.о горизонтально-трубного тучка. ;

2. Разработано, программное обеспечение'.для расчета сво- ■ бодно-конвективного' теплообмена'в 'горизонтальном; ряду труб-с ■ плавниковым 'сребренном. В том числе: • ' •

а) Разработаны алгоритм и программа расчета гидродинамики

и теплообмена при свободной конвекции несжимаемой жидкости в горизонтальном ряду труб с двусторонним плавниковым оребрением. Рассматривались отдельно случаи изотермического ребра и ребра с заданным коэффициентом'теплоцрозодности.

б) Проведены сценки точности расчета кокечно-разностныы методом, влияния длины расчетной области' и шага сетки.

в) Получены данные по локальному и среднему теплообмену гладких и сребренных труб для чисел Релея в диапазоне

= 10^ 10® , чисел Прандтля Рг =0,7 и 5,0, относительной длины ребра ^/р =0-1,35, пата ряда = 1,24-2,0, параметра, ' учитывающего теплопроводность ребра Г^ -

;г) Установлена.зависимость характера влияния оребрения на интенсивность теплоотдачи от режима теплообмена. Если в переходном режиме пограничного слоя увеличение теплосъема по сравнению с гладкой трубкой может составить 20-40^, то в ползущем режиме оно значительно и может вырасти в 8 раз.'

д) Исследовано влияние на теплоотдачу длины ребра. Показано, что в переходном режиме и режиме пограничного'слоя при малой длине ребра ~ 0,2 может происходить уменьшение об-' щего снимаемого теплового потока. Для заметного увеличения теплосъема длина ребра должна 'быть не менее ^¿ф $ 0,5. Б ползущем режиме' { = Ю3 , тесный ряд) при любой длине ребра заметно увеличение теплосъема.

е) Проанализировано влияние.отдельных составляющих теплового потока (от нижнего ребра, от цилиндрической части и от верхнего ребра). Б ползущем режиме нижнее-ребро может давать до 50% общего теплового потока, вклад верхнего не более 5$. Для переходного режима и режима пограничного слоя'нижнее ребЯ^— ро дает до ЗС$, верхнее 8-135- Таким образом,основной вклад . вносит во всех случаях нижнее ребро. •

' я) В переходном режиме и режиме пограничного слоя •существенного влияния пага ряда на интенсивность теплообмена не обнаружено.'

' ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ '

О

Си - коэффициент температуропроводности, ы /с ; Р - вкеаний диаметр трубы,ы ; сЛ - 'внутренний диаметр тру -бы, ы ; и длина трубы, и ~ Рц - периметр■ трубы,ы ; Ка (Те-То)-^/^^11) ~ шсло Рэлея \ аС - коэффициент теплоотдачи Вт/м^'К ; \>/ - расход жидкости внутри трубы, м3/с ; Ср - козфф'шиент теплоемкости,; £ - плот-кость жидкости кг/к3 ;

о

#¿¿7 удельный тепловой поток, Вт/м ,;.■•• ,

- * ■ "ч. п л ^-

'Тр".' ~ среднеиктегральная температура стенки , К > ^

- термическое сопротивление ;

*- коэффициент теплопроводности,

^^Р? ^УТ"безразмерный расход жидкости внутри

_ "Г" I I

Л «< / и а трубы ;

саг труб ряда, ы ; 6= ^^ - 'безразмерный "иаг ряда ; £ -'длина ребра , ы ; >И1 V - скорости жидкости вдоль осей X и У /

^ ' Основные положения диссертации опубликованы

в работах:

1. Шкловер Г.Г..,Гусев С.Е. ,Казначеева И.В.

Исследование схемы арктической СТЭС с оросительным охлади-• телем и теплообменником на принципе свободной конвекции.У Тез.докл."Д Всес.кокф.по энергетике океана".Владивосток, ДВНЦ АН СССР,1985, с.15. . .

2. Гусев С.Е. ,Казначеева И.В. - . ...

Ренимы теплообмена свободной конвекцией в горизонтальном ряду труб./ГеДдсклЛУ Всес.шк.мол.ученых и спец."Современные проблемы теплофизики" , Новосибирск,ИГО СО АН СССРД986, "с.143-144.

3. Голубев С.Н.,КазначееЕа И.В.

Расчет сзободно-кснзектизного теплообмена на горизонтальных трубах. // В сб."Некоторые актуальные проблемы создания и эксплуатации турбинного оборудования". Тез.докл.,конф. Свердловск,1989, с.57.

4. Шкловер Г.Г.,Гусев С.Е.,Казначеева И.В.

Тепловой расчет теплообменников на принципе свободной конвекции для арктической ОТЭС // Использование тепловой энергии океана, Владивссток.ДБО Ж СССР, Институт проблем морских технологий, 1989, с.69-72.

5. Казначеева И.В. ;

Теплообмен горизонтального цилиндра при свободно-конвективном течении теплоносителя снаружи и вынужденной конвенции внутри .,/У.Тез.докл. У Всес.' пк.мол.ученых и спец."Современные проблемы теплофизики^,Новосибирск, ИТ£ СЙ АН СССР, 1986 , с.91-92. •-..'■

*

■б. Казначеева К.Б.

Теплообмен свободной конвекцией горизонтального ряда труб с плавниковым оребрением. J/.Фез. докл.Ш'Бсес.конф. мол. . исслед.,Новосибирск,ЙТ£ CD АН СССР,1969, с.236-239 . . 7. Шкловер Г.Г.,Гусев С. Е- »Казначеева И.Б. ,.0кунев А.З.

Разработка методов интенсификации теплоотдачи -при свободной конвекции // КГ1Ш им.К.Э.Циолковского, н/т.отч. Mrpy/Jpié^ г.Калуга,1967, ПОс. ' 6.- Гусев С.É.,Казначеева И.Б.

Теплообмен свободной конвекцией оребренных трубных пучков // В сб: Некоторые актуальные проблемы создания и эксплуатации ' турбинного оборудования. Тез.докл. .ко'нф, СвердлоЕск,19Ь9, с.56. - . -

9. Шкловер Г.Г.,Гусев C.S. .Казначеева Й.Б.

Сопряженный теплообмен при вынужденной конвекции внутри и' свободной конвекции снаружи горизонтального цилиндра // Весц I Акадзм II навук.БССР. Сер. фйЗ-энерг.навук.1990,^ с.77-82 . ■

10. Гусев С.Е.»Казначеева К.Б. • Теплообмен свободной конвекцией горизонтального ряда труб,

" с плавниковым оребрением ^.Изв. СО АН СССР,сер.техн.наук, ; 1990,с.12-15. ' .

11. Шкловер Г.Г..Гусев С.Е.,Казначеева И.Б.,0кунев А.Э. Разработка методов оптимального проектирования-.теплообменников и создание' программ для их расчета начЭВМ. л^КГШ

им.К. Э.Циолковского,н/т,отч., ^ГРУ5Ш>г;Калуга,1990,180с. •