Исследование устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Сережкнн Леоннд Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ С ВЫТЯЖНОЙ ШАХТОЙ

Специальность 01. 04. 14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Калуга-2006

Диссертация выполнена па кафедре общей физики Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского.

Официальные оппоненты:

Научный руководитель:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук профессор Мильман Олег Ошеревич доктор технических наук профессор Бродов Юрий Миронович кандидат технических наук Дикарев Игорь Михайлович ФГУП Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения «Малахит»

Защита состоится ¿3

Г4&2006 г. в час. %0

мин.

на заседании Диссертационного совета К 212.085.02 в Калужском государственном педагогическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: г. Калуга, ул. Ст. Разина, д. 26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 248023, Калуга, ул. Ст. Разина, д.26, Ученый Совет КГПУ.

г.

кандидат технических наук доцент

у/* В.В. Помазков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В числе задач, с которыми сталкивается современная теплофизика, существует проблема расчета и эффективного использования естественной конвекции, которая возникает в аппаратах, где присутствуют пространства, заполненные жидкой или газообразной средой с выраженной температурной неравномерностью. Естественная конвекция и • естественная циркуляция возникает в неоднородном поле массовых сил.

Особенно большое значение проблема естественной конвекции приобретает для современной техники, в частности, для атомной энергетики. Появились многочисленные приложения теории естественной конвекции в энергетике, химической технологии.

В настоявшее время при конструировании теплообменных аппаратов важными факторами являются экономия электроэнергии и надежность работы. Требованиям надежности и экономичности в наибольшей степени отвечают теплообменники, в которых используется механизм естественной конвекции или иначе, естественной циркуляции теплоносителя, например, системы пассивного расхолаживания ядерных реакторов и пр. Применение теплообменных систем, работающих на естественной циркуляции очень разнообразно. Необходимо отметить, что они в ряде случаев используются в машинах и агрегатах, которые могут менять свое. пространственное положение. При этом возникает проблема устойчивости циркуляции и проблема методики ее определения и расчета.

.В литературе практически не приводится сведений по определению устойчивости естественной циркуляции, за исключением рассмотрения устойчивости движения теплоносителя в паровых котлах и т.п.

Целью диссертационной работы является исследование явления опрокидывания естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой в зоне ламинарного течения.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

- проведены экспериментальные исследования динамики развития процесса опрокидывания естественной циркуляции теплоносителя при изменении пространственного положения теплообменника.

- выявлена неустойчивость течения воды при углах близких к опрокидыванию, которая объясняет картину развития процесса опрокидывания и пульсации температур на входе и выходе из теплообменника.

- определены границы эффективного использования естественной циркуляции воды в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при изменении его пространственного положения.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается применением в процессе вывода расчетных зависимостей фундаментальных физических и математических понятий и методов, корректными измерениями с использованием точных приборов, практическим подтверждением результатов исследований. Основные положения диссертации проверены экспериментально.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета угла опрокидывания естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой.

полученные результаты использованы в конструировании теплообменных аппаратов с естественной циркуляцией охлаждающей воды.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры общей физики КГПУ им. К.Э. Циолковского, конференциях аспирантов КГПУ, на XV школе — семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Калуга, 2005г.), а также на Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006г.).

Автор защищает:

результаты экспериментального исследования устойчивости естественной циркуляции горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой в ламинарной зоне течения при изменении его пространственного положения.

- физическую и математическую модели и разработанную на их основе, методику расчета угла опрокидывания естественной циркуляции для горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.

Личный вклад заключается в самостоятельном конструировании установки, разработке программы и методики измерений и обработки данных, проведении экспериментов, получении уравнений для угла опрокидывания естественной циркуляции.

, Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 5 публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из списка используемых обозначений, введения, четырех глав, заключения, двух приложений и библиографического списка из 76 наименований. Работа изложена на 180 страницах и иллюстрирована 50 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе сделан обзор литературы, посвященной движению теплоносителя, обусловленного естественной конвекцией или естественной циркуляцией. Дан анализ вопроса о характере такого рода движений в условиях внутренней задачи. Приведены данные об определении устойчивости в двухфазных потоках, а также результаты исследований, проведенных ранее для подобных теплообменников. На основе анализа указанных работ сделан вывод о недостаточности данных по этому вопросу и необходимости дополнительных экспериментальных и теоретических исследований. Сформулированы задачи исследования:

1. На основе качественного описания сформулировать физическую и математическую модели опрокидывания естественной циркуляции.

2. Разработать, изготовить и наладить экспериментальную установку для исследования процесса опрокидывания естественной циркуляции.

3. Экспериментально определить угол опрокидывания для данного типа теплообменников в зависимости от тепловой нагрузки и геометрических параметров теплообменника (для однотрубных и многотрубных теплообменников).

4. Обобщить экспериментальные данные и сформулировать основы методики расчета угла опрокидывания естественной циркуляции.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, выбору определяемых параметров и методики проведения опытов. Также приведены сведения о способе обработки экспериментальных данных и оценки погрешностей эксперимента.

. Исследования устойчивости естественной циркуляции жидкости внутри горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой проведены на установке, схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — теплообменная труба, 2 — труба вытяжной шахты, 3 - нихромовая спираль, 4 — термо - и электроизоляция, 5 — цилиндрический бак, 6 - гибкий шланг, 7 - электроизмерительные приборы, 8 ~ источник напряжения, 9 — поворотный механизм, 10 и 14 - слив воды, 11 — прибор, регистрирующий температуру, 12 - лабораторные термометры, 13 — термопары, 15 -подвод воды на заполнение бака, 16 — угломер.

К верхней части металлического бака цилиндрической формы емкостью 0.066 м3 (поз.5) с диаметром 0.2 метра, и длиной 2.1 метра посредством небольшого поворотного устройства присоединяется съемный теплообменник, который состоит из обогреваемой теплообменной трубы (поз.1) и подсоединенной к ней под углом 90° вытяжной шахты (поз.2).

Снизу теплообменник соединен с нижней частью бака посредством гибкого дюрритового шланга (поз.6). Такая конструкция обеспечивает возможность изменения угла наклона от -30 до +90 градусов. Обогреваемые трубы выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 22x2 мм и имеют длину 0.6; 0.8; 1.1 метра. Трубы вытяжной шахты были также выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 22x2, 32x2 мм имеют длину 0.3; 0.55 метра! Вся установка заполнялась водой.

Для определения температуры стенки в пазах по длине теплообменных труб были запаяны хромель-копелевые термопары ТХК 10616-61. Обогрев трубки осуществлялся с помощью подачи напряжения на нихромовую проволоку, намотанную на изолированную трубу. Для определения подводимого теплового потока электрическая спираль соединена с лабораторными вольтамперметрами АВО-5М1 (поз.7.) и ЛАТРом переменного напряжения (поз.8 на рис. 2.1.). Спираль покрыта слоем асбестовой теплоизоляции - диаметр 55 * 65 мм.

Для определения температуры жидкости внутри потока были использованы металлические гильзы диаметром 03x0.5 мм, в которых были установлены термопары, подключаемые к измерителю многоканальному типа УКТ38. Данная установка модифицировалась, так как исследовались как однотрубные, так и двухтрубные теплообменники. Для однотрубного теплообменника эксперименты проводились на воде и на воздухе, для двухтрубного - только на воде. Для двухтрубного теплообменника к параметрам, влияющим на устойчивость, помимо описанных раннее, добавлялся параметр b - расстояние между трубами (в экспериментах при неизменной длине lnhemb~ 0.3, 0.6 м).

Методика проведения эксперимента.

Упомянутая выше установка собиралась и заполнялась водой. Первоначально обогреваемый участок выставлялся на небольшой положительный угол (от горизонтального положения против часовой стрелки). Анализ физической картины процесса движения показывает, что для запуска движения в прямом направлении теплообменник изначально должен устанавливаться не в горизонтальное положение, а на небольшой положительный угол (2-3°), и лишь при установившемся прямом движении отклоняться на отрицательные углы.

К.спирали подводился электрический ток, идущий на обогрев трубы, и измерялся общий подводимый тепловой поток. С помощью термопар, введенных в поток, измерялась температура на входе в обогреваемый участок, на выходе из него и выходе из вытяжной шахты, а также температуры стенки теплообменной трубы. Далее теплообменник отклонялся от горизонтального положения в сторону вытяжной шахты. Угол опрокидывания определялся по изменениям температур жидкости на входе в теплообменник и выходе из вытяжной шахты. О прямом движении воды свидетельствовало то, что температура на входе в теплообменник меньше, чем на выходе из вытяжной шахты. При отклонении теплообменника в сторону вытяжной шахты отношение этих температур менялось. Изменения фиксировались до момента, когда температура на выходе становилась меньше температуры на входе. Угол, на котором выполняется данное условие, являлся углом опрокидывания.

Опыты проводились при переменных тепловых потоках за счет изменения напряжения на спирали с помощью ЛАТРа. Для определения тепла, подведенного к теплоносителю, выполнялись эксперименты по

определению тепловых потерь, и в дальнейших расчетах использовался тепловой поток, подведенный только к теплоносителю.

Эксперименты так же выполнялись на стеклянной модели, где для визуального наблюдения движения в поток вводились частицы красящего вещества.

Оценка погрешностей показала, что основные параметры определены со следующей максимальной относительной, погрешностью: для линейных размеров = 1%, для температуры ¿>тах = 0.5%, для тепловой нагрузки ц £)тах = 3.8%, для расхода <? ~ 8% и для угла опрокидывания

Ропр ^пах** 5 /о.

В главе третьей приведены результаты экспериментальных исследований теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой. Приводится влияние геометрических параметров теплообменника на расход (как характеристику устойчивости) и на угол опрокидывания.

В начале главы приведен диапазон изменений основных характеристик течения (оценка приведена для горизонтального положения): определено, что разность давлений (движущий напор естественной циркуляции) лежит в диапазоне от 3 да 10 Па для однотрубного теплообменника и от 7 до 22 Па для двухтрубного; для однотрубного теплообменника скорость лежит в диапазоне 0.03 -г 0.05 м/с, а расход в диапазоне 0.007-5-0.015 кг/с, для двухтрубного теплообменника значения скорости и расхода существенно зависят от расположения труб, а общий расход теплообменника лежит в диапазоне 0.017 -г- 0.025 кг/с; определено, что режим течения ламинарный - Ле^ = 4001050; Аг^ = 3104 -Ы.2105.

Показано, что на углах близких к опрокидыванию стандартная схема оценки расхода не применима.

Во второй части главы рассматривается динамика изменения движения в однотрубном и двухтрубном теплообменниках при изменении их пространственного положения.

В качестве характеристики течения приводятся экспериментальные данные по расходу воды.

На рис. 2. показано сравнение расходов для однотрубных теплообменников одинаковой геометрии, но при разных тепловых нагрузках. Которое подтверждает, что с ростом тепловой нагрузки расход

увеличивается. Этот факт является объяснимым с учетом того, что О ~ —

(если теплоемкость меняется не существенно) и при этом значительное изменение теплового потока приводит к не столь значительному приросту температуры. Например, в эксперименте увеличение теплового потока в 3 раза привело к 30% росту температуры.

Сопоставление теплообменников с одинаковым горизонтальным участком, но с разными вытяжными шахтами (при условии д = ссимг) показывает, что большие расходы характерны для теплообменников с большей вытяжной шахтой (см. рис. 2), это связано с изменением напора естественной циркуляции (Ар). Движущий напор при прямом движении определяется выражением

-^p^g■{^p1■hвm^cosp-Ьpx■l■smp) где Дрх, Дрг - разности плотностей на свободном уровне и на обогреваемом участке в вытяжной шахте, соответственно; g — ускорение свободного падения. Составляющая напора, связанная с размером вытяжной шахты Арвш

~ Лр2 • И- соб/? , при этом сушественное увеличение вытяжной шахты приводит к относительно небольшому уменьшению Ар], Арг (движущий напор в целом увеличивается благодаря росту произведения Ар2 - Ь).

Например, в эксперименте увеличение вытяжной шахты в 1.8 раза приводило к уменьшению Дрх не более чем 25%, а Дрг не более чем 30%.

Рис. 2. Зависимость расхода от величины тепловой нагрузки и высоты вытяжной шахты для однотрубного теплообменника (горизонтальное положение). 1 — / = 0.6 м, hem = 0.3 м, 2 — / = 0.6 м, hem = 0.55 м.

Сопоставление теплообменников с одинаковыми длинами вытяжных шахт, но с разными горизонтальными участками (при условии q = const) показывает, что большие расходы характерны для теплообменников с меньшим горизонтальным участком (см. рис. 3.), что связано с увеличением напора естественной циркуляции. В данном случае существенно меняется составляющая движущего напора, связанная с горизонтальным участком Арг ~ Ар, -/-sinр, при этом изменение / оказывает более существенное влияние

на общий движущий напор, чем изменение Арг. Поэтому при

уменьшении длины горизонтального участка напор в целом увеличивается.

Рис. 3. Зависимость расхода от величины тепловой нагрузки и длины горизонтального участка для однотрубного теплообменника /3 — 4 град, Лвя = 0.55 м. 1 - / = 0.6 м, 2 -1 = 0.8м,3-/= 1.1 м.

Сопоставление по данному, критерию целесообразно проводить лишь при отклоненном в сторону отрицательных углов теплообменнике, например, при горизонтальном положении длина горизонтального участка вообще должна слабо влиять на расход (влияние длины проявляется в изменении гидравлического сопротивления этого участка). В этом случае величина расхода будет определяться в основном высотой вытяжной шахты и тепловым потоком, подведенным к воде. ■ , . ,

Далее показано, что явление опрокидывания носит нестационарный характер. Отмечено, что в двухтрубном теплообменнике опрокидывание в нижней трубе происходит при большем угле, чем в верхней, что также объяснимо большим движущим напором в ней.

Определено, что угол опрокидывания существенно не зависит от тепловой нагрузки (д - от 5 до 32 кВт/м2), а ключевое влияние на него оказывают геометрические параметры теплообменника.

Между углом опрокидывания и геометрическими параметрами теплообменника выявлены следующие зависимости:

• При увеличении вытяжной шахты угол опрокидывания увеличивается (рис. 4.а.), что связано с изменением напора естественной циркуляции Ар. Увеличение составляющей движущего напора, связанной с размером вытяжной шахты, Драш = g ■ &р2 ■ Ь,,т ■ соз ¡3 приводит к общему увеличению движущего напора (сравнение проводится для теплообменников с равными горизонтальными участками). При этом необходимо пояснить, что увеличение вытяжной шахты приводит к относительно небольшому изменению Дрх и Лр2 ■

• При увеличении горизонтального участка угол опрокидывания уменьшается (рис. 4.6.), что также определяется изменением движущего напора естественной циркуляции, так как увеличение составляющей движущего напора, связанной с горизонтальным участком = g•Apl•l■sm/3, приводит к общему уменьшению движущего напора (сравнение проводится для теплообменников с равными вытяжными шахтами). При этом изменение I оказывает более существенное влияние

1 на Дрг, чем изменение Ди Дрг.

• при увеличении отношения ¡1 угол опрокидывания увеличивается (рис. 5.)

Последнее отношение является наиболее важным, т.к. показывает взаимосвязь отношения линейных размеров теплообменника с углом опрокидывания.

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

1 о / * А / 1 / 1 ' 1 1 .

1 / » / / / /

/1 / 6 1/ г / \ | вое 1 -

! ! еоо 3 1.....

12 15

■а)

18 21 24 р(град)

б)

18 21 24

Р(град)

Рис. 4. Зависимость угла опрокидывания от линейных размеров теплообменника, а) -от высоты вытяжной шахты. 1 - / = 0.6 м, 2 - I - 0.8 м, 3 - / = 1.1 м, б) - от длины горизонтального участка 1 - = 0.3 м, 2 - к^ = 0.55 м.

Ьвт/ ! А !

! [ 1

' О

? 1 1 I

о.:

12

16

20 24

/}(град)

Рис. 5. Зависимость угла опрокидывания от

Определено влияние скорости поворота на устойчивость естественной циркуляции (поворот теплообменника на один градус осуществлялся через разные интервалы времени - 20, 10, 5, 1 минута 30 и 5 секунд), при этом выявлено, что до интервала 30 сек разброс углов лежит в пределах статистического отклонения, а начиная с данного интервала имеется тенденция к росту угла, объяснимая инерционностью движения.

Также показано, что диаметр вытяжной шахты не оказывает существенного влияния на угол опрокидывания.

. Приведены результаты определения угла опрокидывания для различных вариантов работы двухтрубного теплообменника. При этом рассматривались варианты подвода тепла к обеим трубам, к каждой в отдельности и случай с перекрытой необогреваемой нижней трубой. Сопоставление этих вариантов для верхней трубы показывает, что самым устойчивым, к . опрокидыванию является случай, когда верхняя труба обогревается, а нижняя перекрыта. Вторым по устойчивости является случай, когда работают обе трубы совместно, и каждая обогревается! Самым неустойчивым является движение в верхней трубе, когда нижняя не обогревается и не перекрыта. Уменьшение угла опрокидывания для последних двух случаев связано с уменьшением расхода через верхнюю трубу, а соответственно, и увеличению температуры на обогреваемом участке, что приводит к уменьшению движущего напора.

. В последней части главы 3 приведены результаты визуализации процесса опрокидывания для прозрачной модели, см. рис. 6.

а) 6) с)

Рис. 6. Визуализация процесса естественной циркуляции - угол 20 градусов соответствует опрокидыванию, а) пульсация температур на входе в теплообменник, б) качественное представление поля скоростей в сечении канала, с) фотография движения на горизонтальном участке (темная область соответствует наиболее медленным слоям).

В четвертой главе на основе экспериментальных данных и визуального наблюдения приведены физическая и математическая модели.

В первой части приводится физическая модель, по которой опрокидывание происходит при равенстве нулю движущего напора

ДРйв=0 (1)

Определяя движущий напор по расчетной схеме, представленной на рис. 7., получаем выражение для тангенса угла опрокидывания

опр

А^г Ро -р\ + Ро ~Рг _ Ро -Рг

1 Рп-Рь Ро ~ Ра 1 Рс~Р4

(2)

где р0, рх р2, Рз, рх - плотность жидкости в объеме бака (плотность свободного уровня), на входном необогреваемом участке, на обогреваемом участке, на переходном необогреваемом участке, в вытяжной шахте, соответственно; Ы^, Ь, Д1, А,.,,, - длина входного необогреваемого участка, обогреваемого участка, выходного необогреваемого участка, вытяжной шахты, соответственно.

свободный уровень

Ро (Го)

Рис. 7. Схема расчета движущего напора в момент опрокидывания для случая

Ла>„=0. ■

Формула (2) справедлива лишь для случая ламинарного стационарного течения. В действительности на углах, близких к опрокидыванию циркуляции, имело место нестационарное течение. Это подтверждено приведенной физической картиной опрокидывания, сформулированной на основе визуальных наблюдений и инструментальных измерений:

• по мере наклона теплообменника движущий напор, расход и скорость воды уменьшаются;

• увеличивается нагрев воды при ц ~ сопзг,

• появляется существенная неравномерность температур воды в трубе;

• в верхней части трубы периодически возникают встречное движение воды и пульсации температур, которые передаются на вход теплообменника;

• при дальнейшем увеличении угла некоторое время одновременно существуют два направления движения - в верхней части трубы навстречу основному потоку в нижней части; это неустойчивая ситуация (на эпюре скоростей возникает точка перегиба) при дальнейшем небольшом наклоне ситуация разрешатся: направление движения сменяется на противоположное.

Взяв за основу формулу (2), на основании экспериментов в расчет плотностей введены поправки, учитывающие изменение температур и особенности движения воды. Введены зависимости между разностями плотностей

Р0-Р2 =г(Ро-Р4> (3)

Ро-Рз^-Оо-А»)

На базе экспериментальных данным получены средние значения

отношений: я!.7,*!;:

Ра ~ Ра РЪ~Р\ Рй~Р*

. При подстановке коэффициентов уравнение (2) принимает вид:

Кт

=--77-77 (4)

I I

Во второй части приведена упрощенная математическая модель, в которой из уравнений сохранения (для одномерного стационарного случая) получена верхняя граница угла опрокидывания в виде

Кт А1 + 1

В третьей части на основе экспериментальных данных получена формула для определения нижней граница угла опрокидывання

*РоПР=-Т~Т (5)

ЪРшР =0.68.

' Кт 4

ь_

, „ „ , М, АЬ

1.7 + 2.5--1 +—

I Ь )

(б)

В заключение главы приведено сопоставление углов опрокидывания, полученных экспериментально и по (4), (5) и (6). Определено, что формула (5) дает верхнюю границу опрокидывания. Формула (4) описывает экспериментальные данные с относительной ошибкой, не превышающей 15%, а (6) с относительной ошибкой, не превышающей 11%. Так же проведено сопоставление экспериментальных данных, полученных ранее, с углами по (4), (5) и (6). Сопоставление обобщенных экспериментальных данных с зависимостями по (4), (5) и (6) представлено на рисунке 8.

2 18 1.6 14 1.2 1

0.8 0.6 0.4 П.2 О

0 4 8 12 1С. 20 24 28 32 36 40 44 48 32 56 6« 64

Р(град)

Рис. 8. Сопоставление обобщенных экспериментальных данных с зависимостями по (4), (5) и (6). 1 - экспериментальные данные, полученные ранее; 2 -экспериментальные данные, полученные автором; 3 - кривая экспериментальных данных; 4 - линия, полученная по (4); 5 — линия, полученная по (6); 6 - линия, полученная по (5).

Заключение

1. Приведен обзор исследований, посвященных движению теплоносителя, обусловленного естественной конвекцией или естественной циркуляцией. Обоснована актуальность и практическая значимость исследований в этой

области, в частности, для систем охлаждения ядерных и химических реакторов.

2. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, и проведены исследования устойчивости естественноциркуляционного движения при ламинарном течении воды и воздуха в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при его повороте в сторону вытяжной шахты. Данные получены при Red в диапазоне от 400 до 1050; Ard —от 3104 до 1.2-105; Рг —от

h

6 до 10; lid-от 33 до 61; h„/d- от 10 до 31;-^- - от 0.27 до 0.92; q ~ от 5 до

32 кВт/м2. Также исследован двухтрубный теплообменник с относительным межтрубным расстоянием b/d — от 10 до 20.

3. Выявлена зависимость угла опрокидывапия от геометрических параметров теплообменника - /, /?„„„ . Установлено, что угол опрокидывания не

зависит от тепловой нагрузки в диапазоне q - от 5 до 32 кВт/м2.

4. Вблизи угла опрокидывания выявлены пульсации расхода и температур воды на входе в теплообменник, а также наличие одновременного движения жидкости в трубе в двух противоположных направлениях.

5. На основе визуального исследования и инструментальных измерений сформулирована физическая модель процесса опрокидывания, и на ее основе дана математическая модель. В качестве критерия выделен тангенс угла опрокидывания, для которого получена зависимость

И

tsB = вт■■■ ÍPnnp AL + L'

где L, AL - длина' обогреваемого участка, выходного необогреваемого участка, соответственно.

6. На основе физической модели (в стационарном приближении) получены уравнения для тангенса угла опрокидывания

tgPc

где AL, - длина входного необогреваемого участка. Сопоставление экспериментальных данных, полученных ранее, с полученными по приведенной формуле позволило распространить диапазон применения этой формулы на диапазон параметров Re<j - от 400 до 1050; Ard — от 3104 до

1.9; ? - от 5 до 110 кВт/м2.

7. Результаты работы могут быть полезны при расчете систем охлаждения транспортных энергоустановок.

Основной материал диссертации опубликован в следующих работах:

1. Мильман О.О., Сережкин Л.Н. Исследование устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой // Труды XV Школы — семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». В 2-х т. Т.2. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. с. 312-314.

2. Мильман О.О., Сережкин Л.Н. Исследование устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой // Научные труды КГПУ. - Калуга: Изд-во КГПУ им. К.Э. Циолковского, 2006. с. 105-109.

3. Мильман О.О., Сережкин Л.Н. Устойчивость естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой. // Труды Четвертой

1.7-106; Рг — от 2 до 10; l/d-отЪЪ до б 1; hjd - от 10 до31;

К

- от 0.22 до

/

Российской Национальной конференции по теплообмену. Т. 3. - М.: Изд-во МЭИ, 2006. с. 141-143.

4. Мильман О.О., Алешин Б.А., Сережкин Л.Н., Фетисов Д.О. Интенсивность и устойчивость теплообмена при естественной циркуляции теплоносителя. // Труды Четвертой Российской Национальной конференции по теплообмену. Т. 3. - М.: Изд-во МЭИ, 2006. с. 144-147.

5. Сережкин Л.Н., Мильман О.О. Исследование устойчивости естественной циркуляции теплоносителя в горизонтальном: теплообменнике с вытяжной шахтой.// Известия ТулГУ, серия "Материаловедение". Выи.6. - Тула: ТулГУ, 2006.-с. 51-54.

Подписано в печать 20.10.2006. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. псч. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак № 75.

Отпечатано АП «Полиграфия», г. Калуга, ул. Тульская 1 За. Лиц. ПЛД № 42-29 от 23.12.99

Список используемых обозначений. 4

Введение. 8

1. Глава 1. Устойчивость движения при естественной конвекции и естественной циркуляции.

1.1. Естественно-конвективный теплообмен в истории теплофизики.

1.1.1. Общие положения. 12

1.1.2. Историческое развитие. 14

1.2. Устойчивость движения при естественной конвекции.

1.2.1. Внутренние задачи естественной конвекции.

1.2.2. Исследования течения в прямоугольных полостях. 18

1.2.3. Течение между вертикальными стенками. 20

1.2.4. Течение между горизонтальными стенками. 22

1.2.5. Течение в горизонтальном круговом цилиндре. 24

1.2.6. Смешанная конвекция в вертикальном канале. 27

1.3. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции. Постановка задачи исследования.

1.3.1. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции.

1.3.2. Неустойчивость в двухфазных потоках. 34

1.3.3. Устойчивость естественной циркуляции в теплообменнике, меняющем пространственное положение. 40

2. Глава 2. Описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных. 2.1. Выбор величины характеризующей устойчивость

• естественной циркуляции, определение параметров, от которых зависит устойчивость естественной циркуляции. 48 • 2.2. Описание экспериментальной установки.

2.2.1. Однотрубный теплообменник. 49

2.2.2. Двухтрубный теплообменник. 54

2.2.3. Установка для визуального исследования явления опрокидывания естественной циркуляции. 55

2.3. Методика проведения эксперимента.

2.3.1. Этапы проведения эксперимента. 60

2.3.2. Особенности методики проведения эксперимента для двухтрубного теплообменника.

2.3.3. Определение температуры в эксперименте. 64

2.3.4. Результаты экспериментального определения тепловых потерь. 65

2.3.5. Определение гидравлических потерь в элементах экспериментального контура. 70

2.4. Методика обработки результатов экспериментов.

2.4.1. Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных. 72

2.4.2. Выбор теплофизических свойств среды, необходимых для обработки экспериментальных данных.

2.4.3. Определение погрешностей измерений. 75

3. Глава 3. Результаты экспериментальных исследований устойчивости естественной циркуляции внутри горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.

3.1. Оценка основных параметров движения в эксперименте. 78

3.2. Динамика процесса запуска, развития и опрокидывания естественно-циркуляционного движения циркуляции.

3.2.1. Динамика запуска. 81

3.2.2. Динамика изменения характера движения воды при повороте теплообменника. 84

3.2.3. Динамика опрокидывания. 90

3.2.4. Зависимость угла опрокидывания от геометрических параметров теплообменника. 100

3.3. Результаты дополнительных исследований.

3.3.1 Влияние скорости поворота теплообменника. 105

3.3.2. Влияния диаметра вытяжной шахты на устойчивость естественной циркуляции. 106

3.3.3. Исследование взаимного влияния труб на двухтрубном теплообменнике. 107

3.3.4. Использование газоотвода.

3.4. Результаты визуального исследования процесса естественной циркуляции. 112

4. Глава 4. Определение угла опрокидывания.

4.1. Физическая модель. 120

4.2. Расчетная формула для угла опрокидывания. 123

4.3. Математический анализ течения жидкости. 126

4.3. Получение дополнительных параметров по опрокидыванию естественной циркуляции.

4.3.1. Определение нижней границы опрокидывания естественной циркуляции.

4.3.2. Определение угла опрокидывания для многотрубного теплообменника. 133

4.4. Сопоставление расчетных формул с экспериментальными данными. 136

В числе задач, с которыми сталкивается современная теплофизика, существует проблема расчета и эффективного использования естественной конвекции, которая возникает в аппаратах, где присутствуют пространства, заполненные жидкой или газообразной средой с выраженной температурной неравномерностью. Естественная конвекция и естественная циркуляция возникает в неоднородном поле массовых сил. Особенно большое значение проблема естественной конвекции приобретает для современной техники, в частности, для атомной энергетики. Появились многочисленные приложения теории естественной конвекции в энергетике, химической технологии.

В настоявшее время при конструировании теплообменных аппаратов важным фактором является экономия электроэнергии и надежность работы. Этим факторам, несомненно, отвечают теплообменники, в • которых используется механизм естественной конвекции или иначе, естественной циркуляции теплоносителя, например, системы пассивного расхолаживания ядерных реакторов и пр. Применение теплообменных систем, работающих на естественной циркуляции очень разнообразно. Необходимо отметить, что они в ряде случаев используются в машинах и агрегатах, которые могут менять свое пространственное положение. При этом возникает проблема устойчивости циркуляции и проблема методики ее определения и расчета.

В литературе практически не приводится сведений по определению устойчивости естественной циркуляции, за исключением рассмотрения устойчивости движения теплоносителя в паровых котлах и т.п. Отсутствие данных для расчета устойчивости естественной циркуляции требует экспериментального и теоретического изучения.

Все вышеизложенное характеризует актуальность задачи » исследования естественно-конвективного и естественно-циркуляционного движения в теплообменных аппаратах. В частности, важна задача исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, так как данные теплообменники могут использоваться на установках и агрегатах, меняющих свое пространственное положение. Существенным является вопрос о влиянии таких изменений на устойчивость течения в данных теплообменниках: при изменении пространственного положения возможна ситуация смены направления движения на противоположное, т.е. опрокидывания циркуляции.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование явления опрокидывания циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой в зоне ламинарного течения.

В первой главе приводится обзор литературы, в котором отражено состояние исследований естественной циркуляции и естественной конвекции. Приведены примеры исследования естественной циркуляции и методы определения ее параметров.

Во второй главе приводится описания опытной установки, для исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, методики проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по определению угла опрокидывания циркуляции в зависимости от геометрических параметров установки и тепловой нагрузки. На основе визуализации процесса опрокидывания дано качественное описание динамики развития неустойчивости и последующего опрокидывания естественной циркуляции.

В четвертой главе приводятся физическая и математическая модели, на основании которых получены формулы для расчета угла опрокидывания, дано сопоставление экспериментальных данных с > полученными по формулам.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

- проведены экспериментальные исследования по определению динамики развития процесса опрокидывания естественной циркуляции теплоносителя при изменении пространственного положения теплообменника.

- выявлена неустойчивость течения воды при углах близких к опрокидыванию, которая объясняет картину развития процесса опрокидывания и пульсации температур на входе и выходе.

- определены границы эффективного использования естественной циркуляции воды в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при изменении его пространственного положения.

Практическая ценность работы:

- на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета угла опрокидывания естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой.

- полученные результаты использованы в конструировании теплообменных аппаратов с естественной циркуляцией охлаждающей воды.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования устойчивости естественной циркуляции горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой в ламинарной зоне течения при изменении его пространственного положения.

- физическую и математическую модели и разработанную на их основе методику расчета угла опрокидывания естественной циркуляции для горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.

По материалам, представленной, диссертационной работы имеется 5 » публикаций: в сборнике Научных трудов Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского; в сборнике трудов XV Школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках»; в сборнике трудов Четвертой Национальной Конференции по Теплообмену (2-е публикации), в журнале «Известия Тульского государственного университета».

Диссертационная работа была выполнена в период 2003 - 2006 г. в лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского под руководством доктора технических наук, профессора Мильмана О.О., которому автор выражает глубокую благодарность.

7. Результаты работы могут быть полезны при расчете систем охлаждения транспортных энергоустановок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Приведен обзор исследований, посвященных движению теплоносителя, обусловленного естественной конвекцией или естественной циркуляцией. Обоснована актуальность и практическая значимость исследований в этой области, в частности для систем охлаждения ядерных и химических реакторов.

2. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, и проведены исследования устойчивости естественноциркуляционного движения при ламинарном течении воды и воздуха в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при его повороте в сторону вытяжной шахты. Данные получены при Rej в диапазоне от 400 до 1050; Ar<j - от h

3-Ю4 до 1.2-105; Рг-от 6 до 10; l/d-от 33 до 61; hjd-от 10 до 31;^ - от у

0.27 до 0.92; q - от 5 до 32 кВт/м . Так же исследован двухтрубный теплообменник с относительным межтрубным расстоянием b/d - от 10 до 20.

3. Выявлена зависимость угла опрокидывания от геометрических h параметров теплообменника - /, hem, -SSL. Установлено, что угол опрокидывания не зависит от тепловой нагрузки в диапазоне q - от 5 до 32 кВт/м2.

4. Вблизи угла опрокидывания выявлены пульсации расхода и температур воды на входе в теплообменник, а также наличие одновременного движения жидкости в трубе в двух противоположных направлениях.

5. На основе визуального исследования и инструментальных измерений сформулирована физическая модель процесса опрокидывания и на ее основе дана математическая модель. В качестве критерия выделен тангенс угла опрокидывания, для которого получена зависимость h to в =— &Иопр AL + L где L - длина обогреваемого участка;

AL - длина выходного необогреваемого участка.

6. На основе физической модели (в стационарном приближении) получены уравнения для тангенса угла опрокидывания h вт tgP =--

Иаир л п „ с AL, AL

1.7 + 2.5--L + —

L L где ALj - длина входного необогреваемого участка. Сопоставление экспериментальных данных полученных ранее в [59] позволило распространить диапазон применения полученной формулы на диапазон параметров Red - от 400 до 1050; Ard - от 3-104 до 1.7-106; Рг - от 2 до 10; h l/d - от 33 до 61; hjd - от 10 до 31;-^ - от 0.22 до 1.9; q - от 5 до 110 кВт/м2.

1. Исаченко В.П., Осипова В.Ф., Сукомел А.С. «Теплопередача». М.: Энергия, 1981, с. 108.

2. Крэйт Ф., Блэк У., «Основы теплопередачи». Пер. с англ. под ред. Анфимовой Н.А., М.: Мир, 1983, с. 240 241.

3. Петухов Б.С. «Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой: Монография»; под редакцией А.Ф. Полякова. М: Издательство МЭИ, 1993. с.285 286.

4. Крэйт Ф., Блэк У., «Основы теплопередачи». Пер. с англ. под ред. Анфимовой Н.А., М.: Мир, 1983, с. 240 241.

5. Соковишин Ю.А., Мартыненко О.Г., «Введение в теорию свободно -конвективного теплообмена». JL: изд-во ЛГУ, 1982, с. 8,9,27,102,103.

6. Dulong et Petit, «Des Recherches sur la mesure des temperatures et sur les lois de la chaleur». -Ann. Chim. Phys., 1817,t.7; 1 p. 113 - 114; 2 -p.225 - 264; 3 - p.337 - 367.

7. Oberbeck A., «Uber die Warmeleitung der Fliissigkeiten bei Beriicksichtigung der Stromungeninfolge von Temperaturdifferenzen». -Ann. Phys. Chem., 1879, Bd 7, №6, s.271 292.

8. Lorenz L., «Uber der Zeitungsvermogen der Metalle fur Warme und Electricitat». Ann. Phys. Chem., 1881, Bd 13, №8, s.582 - 606.

9. Boussinesq J. «Theorie analytique de la chaleur», t.2, Paris, 1903, p.658.

10. Boussinesq J. «Mise en equation des phenomenes de convection calorifique et apercu sur le pouvoir fefroidissant des fluids». c.r. Acad. Sci, 1901, t.132, №23, p.1382 - 1387.

11. Boussinesq J. «Sur le pouvoir fefroidissant d'un courant liquide on gazeux». c.r. Acad. Sci, 1901,1.133, №5, p.257-262.

12. Boussinesq J. «Mise en equation des phenomenes de convection calorifique et apercu sur le pouvoir fefroidissant des fluids». J. Phys., 1902, ser.4, t.l, p.65 - 71.

13. Rayleigh Lord. «On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side». Phil. Mag., 1916, ser.6, vol.32, p.529 - 546.

14. Langmuir I. «Convection and conduction of heat in gases». Phys. Rev., 1912, vol.34, №6, p.401 -422.

15. Ray B.B. «Free and forced convection from heated cylinder in air». -Proc. Ind. Assoc. Culit. Sci, 1920 1921, vol.6, p.95 - 105.

16. Kimball W.S., King W.J. «Theory of heat conduction and convection from a low hot vertical plate». Phil. Mag., 1932, ser.7, vol.13, №87, p.887 - 906.

17. Nusselt W., Jurges W. «Das Temperaturfeld uber einer lotrechtstehenden geheizten Platte». VDI - Z., 1928, Bd 72, №18, s.597 - 603.

18. Grober H. «Die Griindgesetze der Warmeleitung und der Warmeiiberganges». Berlin, 1921, s.271.

19. Гухман А.А. «К теории теплообмена в потоке свободно движущегося газа». Труды Гос. физ.-техн. лаб., 1926, вып.4, с.43 - 89.

20. Гухман А.А. «Физические основы теплопередачи». JI. М.: 1926, с.316.

21. Schmidt Е., Beckmann W. «Das Temperature und Greschwindigkeitsfeld vor einer Warme abgebenden senkrechten Platte bei naturlicher Konvektion». - Techn. Mechan. Thermodynamik., 1930, Bd 1, №10, s.341 -349, №11, s.391 -406.

22. Sqwyar G.B. «Modern developments in fluid dynamics». Oxford, 1938, p.690.

23. Eckert E.R.G., Carlson W.O., Int. J. Heat Mass Transfer, 2, 106 (1961).

24. Elder J.W., /. Fluid Mech., 23, 77 (1965).

25. Elder J.W., /. Fluid Mech., 23, 99 (1965).

26. Lighthill M.J.,7. Mech. AppL Math., 6 (1953).

27. Batchelor G.W., Quart» AppL Math,, 12, 209 (1954).

28. Mull W., Reiher H., Beih. Z. Gesundh-lng., 1, No. 28,1 (1930).-178

29. Poots G., Quart. J. Mech. AppL Math., П 257, (1958).

30. Batchelor G.W, /. Fluid Mech., X 111 (1956).

31. Гершуни Г. 3., Жуховицкий E.M., Тарунин E.J1. Численное исследование конвективного движения в замкнутой полости. -Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, 1966, М5,с. 56.32.0strach S., NACA TN 2863,1952.

32. Sattinger D.H., Selection mechanisms for pattern formation, Arch.Rational Mech. Anal., Vol. 49, 1977, p. 31.

33. Лыков A.B., Берковский Б.М.,Фертман B.E., Prog. Heat Mass Transfer, 2, 77,1969.

34. Benard H., Ann. Chim, Phys., 7. No. 23, 62 (1901).

35. Rayleigh L.,Phil. Mag,, 6, No. 32, 529 (1916).

36. Jeffreys H., Phil. Mag., 2, 833 (1926).

37. Jeffreys H., Proc. Ray Soc, A118,195 (1928).

38. Busse F.H., /. Math, and Phys., 46, 140 (1967).

39. Malkus M.V.R., Veronis G., /. Fluid Mech., 41, 225 (1958).

40. Schiuter A., Lortz D., Busse F., /. Fluid Mech., 23, 129 (1965).

41. Pillow A.F., Aero. Res. Lab. Rept. A79, Melbourne, 1952.

42. Krishnamurti R., /. Fluid Mech., 33,445 (1968).

43. Krishnamurti R, /. Fluid Mech, 42, 295 (1970).

44. Rossby H.T., /. Fluid Mech, 36, 309 (1969).

45. Gille J., /. Fluid Mech, 30,371(1967).

46. Batchelor G.W, /. Fluid Mech, X 111 (1956).51.0strach S, Adv. Heat Transfer, 8, 161 (1972).

47. Петухов B.C., Генин А.Г., Ковалев C.A. «Теплообмен в ядерных энергетических установках». М.:Атомиздат, 1974, с.133 134.

48. Лебедев И.К. «Гидродинамика паровых котлов». М.: Энергоатомиздат, 1987. с. 63 67.

49. Кутепов A.M., Стерман Л.С.,Стюшин. «Гидродинамика и теплообмен при парообразовании». М.: Высшая школа, 1986, с. 47 -67.

50. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. «Газодинамика двухфазных потоков». М.: Энергия, 1968. с. 56-62.

51. Мильман О.О. «Теплообмен при естественной циркуляции внутри обогреваемых труб». Теплообмен: Тр. 1-й Рос. нац. конф. М.: 1994, Т.2, с.147- 150.

52. Технический отчет КТЗ. № 400-М-1426.

53. С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др. «Теория тепломассообмена»; под ред. А.И. Леонтьева М.: Высш. Школа, 1979, с. 53-77.

54. Сорокин В.Г. и др. «Марочник сталей и сплавов»; под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989, с. 632 639.

55. Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт O.K. и др. «Теплотехника»; под ред. А.П. Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 78 89.

56. Shervood Т. К., Kiley D. D., Mangsen G.E., «Heat Transmission to Oil Flowing in Pipes». Ind. Eng. Chem., 1932, v. 24, p 273-277.

57. Schiller L. «Die Entwickung der laminaren Geschwindigkeit und ihre Bedeutung fur die Zahigkeitsmessungen. Z. angew. Math. Mech., 1922, Bd. 2. S. 96-106.

58. Альтшуль А.Д. «Гидравлическое сопротивление». М.: Строиздат. 1978. с. 108.

59. Цыганков А.С. «Расчеты теплообменных аппаратов». Л.: Судпромгиз. 1956. с 115 132.

60. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. 2-е изд., М.: 1988. с. 26 - 32.

61. Идельчик И.Е. «Аэродинамика промышленных аппаратов». М.: Энергия. 1964. с. 14-15,55-78.

62. Михеев М.А., Михеева И.М. «Основы теплопередачи». М.: Энергия, 1977, с. 95-96.

63. Варгафтик Н.Б. «Теплофизические свойства веществ». М: Госэнергоиздат, 1956.

64. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. «Теплотехнические измерения и приборы». М.: изд-во «Высшая школа», 1972, с. 49 51, 285 - 287.

65. Инженерные расчеты в Mathcad. Учебный курс. СПб.: Питер, 2005.

66. Григорьев В.А., Зорин В.М. «Справочник по теплотехническому эксперименту»; под ред. В.А. Григорьева. М: Энергоатомиздат, 1988, с.560.

67. Кассан дрова О.П., Лебедев В.В. «Обработка результатов измерений». М.: Наука, 1970, с. 15-35.75.3убарев В.Н., Александров А.А. «Практикум по технической термодинамике». М.: Энергия, 1971, с. 12 -23.

68. Соловьев В.А., Яхантова В.Е. «Элементарные методы обработки результатов измерений. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1977. с. 9 71.