Теплообмен при естественной циркуляции внутри труб теплообменника с вытяжной шахтой при ламинарном течении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Канарейкин Александр Иванович

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ВНУТРИ ТРУБ ТЕПЛООБМЕННИКА С ВЫТЯЖНОЙ ШАХТОЙ ПРИ ЛАМИНАРНОМ ТЕЧЕНИИ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 СЕН 2011

Екатеринбург - 2011

48

5501

4855017

Работа выполнена на кафедре общей физики физико-математического факультета ГОУ ВПО «Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского»

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии РФ, доктор технических наук, профессор Мильман Олег Ошеревич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Белоусов Виктор Семёнович, зав. каф. ТТУрФУ

доктор технических наук, профессор Прибатурин Николай Алексеевич, гл. начн. сотр, ИТ СО РАН

Ведущая организация:

ОАО «Калужский турбинный завод», г. Калуга

Защита состоится «14» октября 2011 г. в 14 час. 00 мин. на заседании специализированного совета Д 212.285.07 при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 5 (8-й учебный корпус УГТУ-УПИ), ауд. Т-703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрФУ.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, ФГАОУ ВПО УрФУ, ученому секретарю. Телефон (343) 375-45-74, факс (343) 375-94-62. e-mail: d21228507@gmail.com.

Автореферат разослан «_» 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совете Д 212.285.07, д.т.н. —

К.Э. Аронсон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Процессы переноса тепла и массы играют исключительно важную роль в природе и современной технике. Среди них заметное место занимает естественная конвекция и естественная циркуляция, возникающие в поле массовых сил. В связи с экономией ресурсов появляются промышленные процессы, основанные непосредственно на механизме естественной циркуляции. Таким образом, совершенствование теплообменных аппаратов на принципе естественной конвекции и естественной циркуляции, повышение их эффективности является актуальной задачей. Однако выполненный к настоящему времени объем экспериментальных и теоретических работ по данному разделу теплофизики оказывается явно недостаточным. Хорошо обоснованная теория разработана для режима свободной конвекции в пограничных слоях. С развитием методов исследования и вычислительной техники стало возможным получение численных решений в широкой области определяющих параметров. Вместе с тем большинство работ по данному вопросу является в той или иной степени обобщением экспериментальных исследований. Но даже при этих условиях многие проблемы, имеющие практический интерес, остаются не решёнными, что подтверждает необходимость дополнительных работ в этом направлении.

Целью работы является экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики при ламинарном течении при естественной циркуляции жидкости внутри горизонтальных и наклонных труб теплообменника с вытяжной шахтой.

Задачи исследования

1. Анализ литературных данных по теплообмену при естественной конвекции и естественной циркуляции.

2. Создание опытной установки и разработка методики проведения экспериментов при исследовании теплообмена в трубе теплообменника с вытяжной шахтой с переменным углом наклона к горизонту.

3. Экспериментальное исследование теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтальных и наклонных труб теплообменника с вытяжной шахтой с обработкой опытных данных и получение обобщенных безразмерных зависимостей для описания процесса теплообмена при естественной циркуляции.

4. Расчётно-теоретическое обоснование полученных результатов.

Достоверность и обоснованность результатов 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 расчётной - теоретической части диссертации проверены экспериментально.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета теплообмена и гидродинамики для практических задач естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб.

2. Получены безразмерные зависимости для расчёта теплоотдачи и расхода жидкости внутри труб теплообменника с вытяжной шахтой.

3. Выявлено изменение как температуры, так и коэффициента теплоотдачи по сечению теплообменной трубы.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. На основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета теплообмена и гидродинамики для практических задач естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб.

2. Полученные результаты использованы при конструировании тегаюобменных аппаратов, основанных на эффекте естественной циркуляции, на предприятии ОАО «Калужский турбинный завод».

Вопросы, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтальных труб теплообменника с вытяжной шахтой. . .

2. Физическая модель, описывающая процесс теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтальных и наклонных труб теплообменника с вытяжной шахтой.

3. Методика расчета коэффициентов теплоотдачи и расхода жидкости.

Личный вклад автора заключается в том, что им на основе опубликованных данных поставлены задачи исследования, разработаны основные методики проведения экспериментов, создана и отлажена экспериментальная установка, проведены опыты, обработаны и проанализированы полученные данные, построены физическая и математическая модели, описывающие процесс теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтальных труб теплообменника с вытяжной шахтой.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры общей физики КГУ им. К.Э. Циолковского, конференциях аспирантов КГУ, XVI Школе - семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, а также на международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» ТулГУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 различных изданиях, из них 1 относится к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Структура диссертации подчинена замыслу исследования и состоит из введения, четырех глав, заключения, шести приложений, списка литературы, включающего 75 наименований. Диссертация изложена на 114 страницах машинописного текста и содержит 25 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные

защищаемые положения.

В первой главе дан аналитический обзор литературных источников, посвященных исследованию процессу теплообмена при естественной конвекции и естественной циркуляции. Уделено также внимание теплообмену при естественной конвекции в замкнутых и незамкнутых трубах и каналах. На основе анализа опубликованных работ сделан вывод о недостаточности данных по данному вопросу и необходимости дополнительных практических и теоретических исследований.

Во второй главе решена задача распределения температуры и функциональной зависимости числа № по сечению внутри горизонтальной

теплообменной трубы.

В работе рассмотрен случай отсутствия осевой симметрии поля, а также учтено изменение теплового потока вдоль оси трубы, обусловленного

подводом теплоты.

При решении были приняты следующие допущения: процессы течения и теплообмена стационарны, физические свойства жидкости постоянны. Уравнение энергии для данного случая в цилиндрической системе координат имеет вид:

При нахождении решения учитывались граничное условие второго рода:

/ .

со

д2( 15/ 1 д2(

■Л--г +--+ -Т-2

йГ дг г дг г дер

— +

/

(1)

Л

и начальное условие:

где г0 - радиус трубы, м;

/0 - температура воды на входе, °С. Решение находилось в виде суммы: г = /(х) + /(г,<з)

(4)

При решении уравнение было приведено к безразмерному виду при введении безразмерной температуры:

(5)

Л

в =

Так же учитывался профиль скорости, полученный при визуализации процесса естественной циркуляции.

Рис.1. Профиль скорости. Сам профиль скорости при разложении в ряд имеет вид = 2(1 - Л2) + (Л - 1)С08(<2>),

(6)

где д = — - безразмерный радиус;

гч

IV, =

& - безразмерная скорость; ш - средняя скорость жидкости, м/с. В результате решения получено уравнение для температурного поля, справедливое во всей области течения:

0 = О,5Д2-О,125Л<-О,О75 + (О,125Л3-О,ЗЗД2 + О,3)СО8^ +

где а - коэффициент температуропроводности, м2/с.

Местное значение числа Нуссельта было определено по формуле:

Nu = —

вт~в (8)

где бет = (0)r=i - температра стенки;

0 = ах -среднемассовая температура жидкости в сечении трубы. mr¡

В результате решения получена функциональная зависимость числа Nu по сечению:

Nu =---•

0,3 - 0,2 cosí» (9)

В третьей главе даётся описание экспериментальной установки и методики проведения опытов.

Исследования были проведены на установке, схема которой представлена на рис. 2. К верхней части металлического бака цилиндрической формы (поз.5) диаметром 0,2 метра и длиной 2,1 метра посредством небольшого поворотного устройства (поз. 17), обеспечивающего изменение угла наклона от 0 до 90 градусов, присоединяется съемная теплообменная труба (поз.1), другой конец которой присоединен гибким шлангом (поз.6) к нижней части бака. Вся установка заполняется водой. Теплообменные трубы из нержавеющей стали 12Х18Н10Т внутренним диаметром 15, 18, 22 мм и толщиной стенки 2 мм имеют длину от 0,6 до 1,2 метра. По длине труб были сделаны кольцевые пазы глубиной 1 мм, куда были запаяны четыре предварительно оттарированные хромель-копелевые термопары (поз. 13). Трубка с термопарами для более равномерного распределения тепла по поверхности обматывалась алюминиевой фольгой, затем электроизолирующей лентой. После этого на ленту наматывалась нихромовая электрическая спираль (поз.З), покрытая снаружи слоем асбестовой теплоизоляции (поз.4). На входе и выходе теплообменной трубы установлены термопары, заключённые в гильзах, для измерения температуры нагреваемой воды (поз.9). Термопары соединены с измерителем

температуры (поз. 11). К теплообменной трубе присоединена вытяжная шахта (поз.2). От источника питания (поз.8) напряжение подавалось на электрическую спираль, с помощью электроизмерительных приборов (поз.7) можно определять подводимую мощность. В баке был организован подвод воды (поз. 15), а также её слив (поз. 10 и 14). С помощью угломера (поз. 16) теплообменная труба выставлялась горизонтально. Температура окружающей среды измерялась лабораторным термометром (поз. 12).

Рис. 2. Схема экспериментальной установки. 1 — теплообменная трубка, 2 — трубка вытяжной шахты, 3 - нихромовая спираль, 4 - термо и электро изоляция, 5 -цилиндрический бак, 6 - гибкий шланг, 7 - электроизмерительные приборы, 8 -источник напряжения, 9 -термопара на выходе, 10, 14 - слив воды, 11 - многоканальный измеритель температуры, 12 -лабораторные термометры, 13 — термопары, 15 - вода на заполнение бака, 16 - угломер, 17-поворотный механизм.

Для определения тепловых потерь через теплоизоляцию в ходе отдельного опыта на входе теплообменной трубы и выходе вытяжной шахты ставились заглушки, исключающие отвод тепла естественной циркуляцией: весь подаваемый тепловой поток в этом случае отводится в окружающую среду. По

полученным данным строился график (рис. 3) зависимости тепловых потерь от разности средней по длине температуры стенки и температуры окружающего

воздуха <2„от =/Г'сп - О-

Вт

Рис. 3. Зависимость тепловых потерь от разности средней температуры стенки и температуры окружающего воздуха. 1 - длина трубы 0,6 м; 2 - длина трубы 0,9 м; 3 - длина трубы 1,2 м.

Полезный тепловой поток при этом определялся по формуле

а = О общ - Опош, Вт; (10)

где <2 общ - общий подводимый поток, Вт;

Япот~ потерянное тепло, Вт.

По результатам измерений рассчитывался тепловой поток, отведенный охлаждающей водой от обогреваемой трубы.

Для верификации результатов расчёта распределения температур внутри трубы теплообменника труба с установленными внутри термопарами поворачивалась вокруг оси на определённые углы. На рис. 4 приведена схема расположения термопар по сечению внутри трубы теплообменника в опыте по исследованию локального коэффициента теплоотдачи относительно оси вращения трубы теплообменника.

О

Рис.4. Расположение термопар по сечению теплообменника. 1, 2, 3 - термопары, 4-труба теплообменника.

В четвертой главе приводится методика обработки опытных данных.

На графике (рис.5) представлено экспериментально определённое распределение температуры воды в сечении трубы теплообменника и температуры стенки теплообменника в зависимости от угла поворота.

Рис.5. Распределение температуры воды в сечении теплообменника и температуры стенки теплообменника в зависимости от угла поворота.

Результат расчёта зависимости числа N11 от угла поворота трубы теплообменника вокруг своей оси сопоставлены с экспериментальными

ев

данными (рис. 6) при (1=0,015 м и значении Яе=500. За ноль угла принимается нижняя образующая трубы.

Рис.6. График сопоставления (1) экспериментальных и (2) расчётных данных. Из графика видно, что полученный результат качественно совпадает с

экспериментом.

Для корректности выводов была дана оценка влияния тангенциальной составляющей теплового потока (поток, протекающий по окружности трубы) на процесс теплообмена. По закону Фурье плотность теплового потока равна

д = -к рас! Т, Вт/м2; (П)

где q - плотность теплового потока, Вт/м2;

к - коэффициент теплопроводности трубы, Вт/м К.

На рисунке 7 представлен график распределение тангенциальной составляющей теплового потока через сечение стенки трубы теплообменника в зависимости от угла поворота для подводимой мощности 200 Вт. Из графика видно, что эта величина имеет максимальное значение 6 Вт, то есть 3% от подводимой мощности. Следовательно, тангенциальная составляющая слабо влияет на процесс теплообмена и можно говорить о среднем значении коэффициента теплоотдачи без учёта этой величины.

Рис.7. График распределения тангенциальной составляющей теплового потока сечении теплообменника в зависимости от угла поворота для подводимой мощности 200Вт.

Проведены опыты по определению расхода воды, в ходе которых установлено, что при малых числах Рейнольдса значения расходов жидкости с ростом тепловой нагрузки и длины теплообменной трубы повышаются, как показано на рис. 8, что представляется вполне обоснованным, так как расход напрямую зависит от общего теплового потока, а при постоянной плотности теплового потока рост длины трубы ведет к увеличению расхода жидкости.

Рис. 8. Зависимость расхода воды от тепловой нагрузки для трубы диаметром (1-0,022 м 1 - труба 0,6 м; 2 - труба 0,9 м; 3 - труба 1,2м.

Часть экспериментов проведена при горизонтальном положении трубы. При увеличении угла наклона от вертикали значения расхода жидкости становятся все меньше, как показано на рис. 9, причем расход убывает тем сильнее, чем больше длина трубы теплообменника, что также представляется вполне обоснованным. Относительное падение расхода обусловлено уменьшением проекции длины трубы на вертикаль, что в свою очередь ведет к уменьшению напора естественной циркуляции и скорости потока.

кг 0,02 °

0,016

0,012

0,008

0,004

О

О 10 20 30 40 50 ф°

Рис. 9. Зависимость расхода воды от угла наклона теплообменной трубы диаметром d=0,022 м для нагрузки q = 4000 Вт/м2:1- труба 0,6 -м; 2 - труба 0,9 м; 3 - труба 1,2 м.

Данные получены для случая ламинарного режима течения Re = 100 т 1500, тепловых нагрузок 103 -=- 104 Вт/м2, длин теплообменных труб 0,6 v 1,2 м.

Другой важной характеристикой в случае процессов естественной циркуляции является коэффициент теплоотдачи.

Проведены опыты по исследованию теплообмена при естественной циркуляции на воде, в ходе которых установлено, что с увеличением тепловой нагрузки коэффициент теплоотдачи возрастает, причем с ростом длины теплообменной трубы при постоянном значении удельного теплового потока его значения также растут, как показано на рис. 10.

G о-1 я-2

5 д-3

'1--- 1--У г -J 1 '1 *

---

Вт

3500 5000 8500 8000 ~Г

Рис. 10. Зависимость среднего по длине коэффициента теплоотдачи к воде от плотности теплового потока для трубы диаметром с!=0,022 м. 1 - труба 0,6 м; 2 - труба 0,9 м; 3 - труба 1,2 м.

В ходе обработки экспериментальных данных получено распределение локального коэффициента теплоотдачи по длине теплообменника. Как показано на рис. 11, коэффициент теплоотдачи практически остаётся постоянным по длине.

Рис.11. Распределение локального коэффициента теплоотдачи а вдоль трубы диаметром <1=0,015 м: 1 - для нагрузки 200Вт; 2 - для 400Вт; 3 - для 600Вт; 4 - для 800Вт.

В следующей части главы было проведено обобщение результатов и приведение их к безразмерному виду. На рис.12 представлена зависимость комплекса от числа Релея 11а

1«)

1?-

< " К

105

10'

Рис.12. График зависимости ЫиДШ/'^Ыс!)0'1 от числа Релея Яа. Данные по коэффициенту теплоотдачи с максимальной погрешностью 10% аппроксимированы формулой:

,0,25

где На

N11 = 0,01 Да

-а- Рг=^3 Рг - число Релея;

(12)

Ь -длина теплообменной трубки; Ь - высота вытяжной шахты; (1 - внутренний диаметр трубки.

Учет влияния угла наклона теплообменных труб на теплоотдачу удалось произвести с помощью введения поправки А[\|/), которая рассчитывается по формуле

{(<//) = 0,0,71^ + 1, (13)

где у/ - угол наклона трубы, взятый в радианах.

Полученные формулы обобщают экспериментальные данные при Ш в диапазоне от 33 до 78, М - от 29 до 33, \|/ - от 0 до 45 градусов, Яа - от 4-Ю5 до 16-106. За определяющую температуру была взята температура 1тр = (/е+г„)/2, где Тс,1„ - средняя температура стенки и температура воды на входе; за определяющий диаметр - внутренний диаметр трубы с1.

Аналогичная обработка была проведена для расхода воды, где число Рейнольдса является безразмерным аналогом расхода. На рис. 13 представлена аппроксимация данных по расходу.

ю"

1Q3

10 10" 105 10« 10'

Рис.13. График зависимости Re/(L/d)1,2 (h/d)0'2 от Gr.

Данные по расходу с максимальной погрешностью 10% были аппроксимированы формулой:

Re = 7,3 • 10~3Gr°'5 J* ^ J"' g(^), (14)

где L/d - безразмерная длина теплообменной трубы; h/d - безразмерная высота вытяжной шахты.

Учет влияния угла наклона теплообменных труб на расход жидкости был

произведен с помощью введения поправки g(y), аналогичной поправке для

определения теплоотдачи, которая рассчитывается по формуле:

- 17-

в*

/тЛ'сп

laj w

f

j ■и » Г i t

G 1 г Li,

§(¥0 = 1-0,47^, (15)

где - угол наклон трубы, взятый в радианах.

Формулы справедливы при Ь/ё в диапазоне от 33 до 78, Ш - от 29 до 33, \|/ -от 0 до 45 градусов, (Зг - от 4-Ю4 до 4-Ю6. За определяющую температуру по-прежнему была взята та же температура; за определяющий диаметр -внутренний диаметр трубки.

В заключении сформулированы следующие основные выводы по работе:

1. В диссертационной работе дан анализ современного состояния проблемы теплообмена при естественной конвекции и естественной циркуляции. Обоснована актуальность и практическая значимость исследований в этой области.

2. Разработана, изготовлена и налажена экспериментальная установка для исследования теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтальных и наклонных труб в теплообменниках с вытяжной шахтой.

3. Дана методика обработки опытных данных по среднему числу N11 по сечению и рассмотрено теоретическое обоснование такого подхода. Получена функциональная зависимость числа № по сечению внутри обогреваемых труб. На основе полученного решения выведена формула для расчета среднего значения числа Нуссельта по сечению.

4. Показано, что безразмерным аналогом коэффициента теплоотдачи традиционно является число Ыи, тогда как безразмерным аналогом расхода является число Яе, которое выступает в качестве определяемого параметра.

5. Получены экспериментальные данные по теплоотдаче и расходу воды для теплообменников с вытяжной шахтой при ламинарном течении в случае естественной циркуляции. Данные получены при значении числа Яе в диапазоне от 100 до 1500; вг - от 4-Ю4 до 4-106; Рг - от 0,7 до 8; 1/(1 - от 33 до 78; ф - от 0 до 45 градусов. Установлено монотонное уменьшение расхода среды с увеличением угла наклона теплообменной трубы от горизонтального

положения. Результаты опытов обобщены безразмерными уравнениями для расхода и для теплоотдачи.

6. В ходе эксперимента установлено, что коэффициент теплоотдачи по длине теплообменника практически не меняется.

7. Обобщённые данные использованы при разработке теплообменных аппаратов систем охлаждения с естественной циркуляцией.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Канарейкнн А.И. Решение задачи теплообмена при естественной циркуляции внутри теплообменника с вытяжной шахтой в ламинарной области течения / А.И. Канарейкин // Вестник ЧГПУ 2009, №11, с.328-333.

2. Канарейкин А.И. Исследование процесса теплообмена при естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой / А.И. Канарейкин // Труды XVI Школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева « Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». Т.1. Санкт-Петербург. 2007, с. 160-162.

3. Канарейкин А.И. Исследование процесса теплообмена при естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой / А.И. Канарейкин // Сборник трудов КГПУ. Калуга. 2007, с. 62-65.

4. Канарейкин А.И. Математическая обработка результатов эксперимента по теплообмену в теплообменнике с вытяжной шахтой / А.И. Канарейкин // Сборник трудов КГПУ. Калуга. 2007, с. 47-50.

5. Канарейкин А.И. Исследование теплообмена в области ламинарного течения при естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой / А.И. Канарейкин, О.О. Мильман // Вестник Калужского университета. 2008, №3, с.9-11.

6. Канарейкин А.И. Применение метода размерностей для решения некоторых задач теплообмена / А.И. Канарейкин // Сборник трудов КГПУ. Калуга. 2008, с. 110-111.

7. Канарейкин А.И. О влиянии пространственного положения термопар относительно оси вращения теплообменника на результаты эксперимента / А.И. Канарейкин // Сборник трудов КГПУ. Калуга. 2008, с. 123-125.

8. Канарейкин А.И. Оценка влияния тангенциальной составляющей теплового потока на процесс теплообмена / А.И. Канарейкин // Сборник трудов КГПУ. Калуга. 2009, с. 112-114.

9. Канарейкин А.И. Применение теории подобия к изучению процесса теплообмена / А.И. Канарейкин // Сборник трудов КГПУ. Калуга. 2009, с. 3739.

Плоская печать

Формат 60 х 84 1/16 Бумага писчая

Тираж 100 Заказ № 294

Ризография НИЧ УрФУ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Введение 8-

Глава 1. Теплообмен 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 15

1.2. Теплообмен при естественной конвекции в трубах и каналах.

1.2.1. Внутренние задачи естественной конвекции 18

1.2.2. Замкнутое пространство 21

1.2.3. Незамкнутый канал 25

1.2.4. Течение в горизонтальном круговом цилиндре 27

1.3. Течение и теплообмен в трубах при совместном действии вынужденной и свободной конвекции.

1.3.1. Теплообмен в плоской и круглой вертикальных трубах при граничных условиях первого рода 31

1.3.2. Теплообмен и сопротивление в круглых трубах при граничных условиях первого рода 34

1.3.3. Течение и теплообмен в круглой вертикальной трубе вдали от входа при граничных условиях второго рода с источниками и без источников тепла в потоке 38

1.3.4. Течение и теплообмен в плоской и призматической вертикальных трубах вдали от входа при граничных условиях второго рода с источниками и без источников тепла в потоке

1.3.5. Течение и теплообмен в круглой горизонтальной трубе при граничных условиях второго рода 43

1.4. Особенности естественной конвекции и естественной циркуляции. Постановка задачи исследования. 48

Глава 2. Решение задачи конвективного теплообмена внутри обогреваемых труб.

2.1. Решение математической задачи 51

2.2. Определение локального значения числа Нуссельта по периметру трубы теплообменника

2.3. Определение среднего значения числа Нуссельта по сечению трубы теплообменника 57

2.4. Расчет угла, соответствующего среднему значению числа

Нуссельта по сечению трубы теплообменника '

Глава 3. Описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.

3.1. Описание экспериментальной установки. 60

3.2. Методика проведения эксперимента.

3.2.1. Этапы проведения эксперимента

3.2.2. Определение температуры в эксперименте

3.2.3. Определение гидравлических потерь в элементах экспериментального контура 70

3.3. Методика обработки результатов

3.3.1. Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных 80

3.3.2. Выбор теплофизических свойств среды, необходимых для экспериментальных данных 82

3.3.3. Выбор безразмерных комплексов для обобщения экспериментальных данных 84

3.3.4. Определение погрешностей измерений 88

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при естественной циркуляции внутри обогреваемых труб.

4.1. Основные результаты экспериментов.

4.1.1. Определение тепловых потерь 91

4.1.2. Определение расхода среды 94

4.1.3. Определение коэффициента теплоотдачи

4.1.4. Распределение теплоотдачи относительно оси вращения трубы теплообменника 97

4.1.5. Распределение теплоотдачи по длине трубы

4.1.6. Сопоставление теории и эксперимента

4.2. Обобщение результатов экспериментов. 103

Все выше сказанное характеризует актуальность задачи исследования естественно-конвективного и естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб.

К настоящему времени известно лишь небольшое количество работ, посвященных естественно-циркуляционному теплообмену внутри обогреваемых труб. Имеющиеся в литературе данные относятся в основном к случаю вертикального расположения последних при движении в них воздуха.

Целью данной диссертационной, работы является экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики при ламинарном течении при естественной циркуляции жидкости в теплообменнике с вытяжной шахтой.

В данной работе приведен обзор литературы, освещающей состояние исследований теплообмена при естественной конвекции и циркуляции. Описываются экспериментальные исследования: приводится описание опытной установки, методика проведения экспериментов и обработки результатов.

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 приводятся разработка математической модели и дано аналитическое решение задачи, на основании которой получены формулы для расчета локального коэффициента теплоотдачи по сечению теплообменной трубки.

В третьей главе приводится описание опытной установки, для исследования локального коэффициента теплоотдачи в теплообменнике с вытяжной шахтой при ламинарном течении, методики проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментов по определению локального коэффициента теплоотдачи в теплообменнике с вытяжной шахтой при ламинарном течении в зависимости от геометрических параметров установки и тепловой нагрузки.

Излагаются сами результаты опытов по определению расхода и коэффициента теплоотдачи воды при естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой в ламинарной зоне течения.

Дано теоретическое обоснование полученных результатов, как теоретическая составляющая диссертационной работы.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

- проведены экспериментальные исследования и получены обобщенные безразмерные зависимости для расчета теплоотдачи и расхода жидкости в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при естественной циркуляции теплоносителя.

- получена картина немонотонного изменения коэффициента теплоотдачи при наклоне обогреваемых труб при ламинарном течении воды.

- проведен анализ полученной зависимости коэффициента теплоотдачи на основе полученного решения.

Практическая ценность работы:

- на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета теплообмена и гидродинамики для практических задач естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб с вытяжной шахтой.

- полученные результаты использованы в конструировании основанных на эффекте естественной циркуляции теплообменных установок.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при ламинарном течении.

- наличие максимума теплоотдачи по сечению обогреваемых труб при ламинарном течении воды.

По материалам диссертационной работы имеется 9 публикаций: в журналах «Вестник Калужского университета; сборнике трудов кафедры общей физике КГУ им. К.Э. Циолковского; доклады по материалам работы также были опубликованы в сборнике трудов XVI и Школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» Результаты работы докладывались на международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» ТулГУ, Вестник ЧГПУ.

Диссертационная работа была выполнена в 2006 - 2011 гг. в ч лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» кафедры общей физики Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского под руководством доктора технических наук, профессора Мильмана О.О., которому автор выражает глубокую благодарность.

8. Результаты исследования используются при расчете теплообмена в конденсаторах транспортных электроустановок.

1. Крэйт Ф., Блэк У., «Основы теплопередачи». Пер. с англ. под ред. Анфимовой H.A., М.: Мир, 1983, с. 240 - 241.

2. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А., «Свободно — конвективный теплообмен»: справочник. Минск: Наука и техника, 1982, с. 36-37.

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

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

5. Oberbeck A., «Über die Wärmeleitung der Flüssigkeiten bei Berücksichtigung der Strömungeninfolge von Temperaturdifferenzen». - Ann. Phys. Chem., 1879, Bd 7, №6, s.271 - 292.

6. Lorenz L., «Über der Zeitungsvermögen der Metalle für Wärme und Electricität». - Ann. Phys. Chem., 1881, Bd 13, №8, s.582 - 606.

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

8. Boussinesq J. «Mise en équation des phenomenes de convection calorifique et aperçu sur le pouvoir fefroidissant des fluids». - c.r. Acad. Sei, 1901,1.132, №23, p.1382 - 1387.

9. Boussinesq J. «Sur le pouvoir fefroidissant d’un courant liquide on gazeux», - c.r. Acad. Sei, 1901,1.133, №5, p.257 — 262.

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

11. 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.

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

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

14. 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.

15. Nusselt W., Jürges W. «Das Temperaturfeld über einer lotrechtstehenden geheizten Platte». - VDI - Z., 1928, Bd 72, №18, s.597 - 603.

16. Gröber H. «Die Gründgesetze der Wärmeleitung und der Wärmeüberganges». Berlin, 1921, s.271.

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

18. Гухман A.A. «Физические основы теплопередачи». JI. - М.: 1926, с.316.

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

20. Sqwyar G.B. «Modem developments in fluid dynamics». - Oxford, 1938, p.690.

21. Кутателадзе C.C. «Теплоотдача и гидродинамическое сопротивление»: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 170 -171.

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

23. Петражицкий Г.Б., Клюшников Ф.В., Бекнева Е.В. «Численные исследования свободно-конвективных циркуляционных течений и процессов переноса тепла в замкнутых полостях различной конфигурации». В кн.: Теплообмен-1974. М.: Наука, 1975, с.181 - 182.

24. Берковский Б.М., Полевиков В.К. «Исследования теплообмена в условиях высокоинтенсивной свободной»конвекции». В кн.: Теплообмен-1974. М.: Наука, 1975, с. 172 - 173.

25. Elenbaas W. «The dissipation of heat by free convection in inner surface of vertical tubes of different shapes of cross-section». - Physica, 1942, vol.9, No.8, p.865 - 874.

26. Aihara T. «Heat transfer due to natural convection from parallel vertical'plates». - Trans. JSME, 1963, vol.29, No.201, p.903 - 908.

27. Levy E.K., Eichen P.A., Cintam W.R., Shaw R.R. «Optimum plate spacings for laminar natural convection heat transfer from parallel vertical isothermal flat plates». - Trans. JSME, 1975, vol.97C, No.3, p.474 - 476.

28. Sparrow E.M., Bahrami P.A. «Experiments of natural convection from parallel vertical plates with either open or closed edges». — Trans. JSME, 1980, voL102C, No.2, p.221 - 227.

29. Kageyama М., Izumi R. «Natural convection in a vertical-, circular tube». - Bull. JSME, 1970, vol.13, No.57, p.382 - 394.

30. • Dyer J.R. «Natural-convective flow through a vertical duct with a restricted entry». - IJHMT, 1978, vol.21, No. 10, p. 1341 - 1354.

31. Bejan A., Tien C.L. «Fully developed natural counterflow in a long horizontal pipe with different end temperatures». - IJHMT, 1978, vol:21, No.6, p.701 - 708.

32. ' Михеев M.A., Михеева И.М. «Основы теплопередачи». М.: Энергия, 1977, с.95 - 96.

33. Петухов Б.С., Поляков А.В., Стригин Б.К. «Исследование теплообмена в трубах при вязкостно-гравитационном течении». В кн.: Тепло- и массоперенос. Т.1, М.:Энергия, 1968, с.607 — 616.

34. Петухов Б.С., Генин А.Г., Ковалев С.А. «Теплообмен в ядерных энергетических установках». М.:Атомиздат, 1974, с. 133 - 134.

35. Босворт Р.Ч.Л. «Процессы теплового переноса». М.: Гос. изд-во технико-теор. лит-ры, 1957, с.132 — 133,137.

36. Ostrach S., Adv. Heat Transfer, 8,161 (1972).

37. Watzinger A., Jons on D., Warmeubertragung von Wasser an Rohrwand bei senkrechter Strömung in Obergangsgebiet zwischen laminarer und turbulenter Strömung, Forschung, 1939, Bd 10, № 4, S. 182—196.

38. Scheele G. :F., Rosen E. M., Hanratty'T. J., Effect of natural convection on transition turbulence in vertical pipes, Canadian J. of Chem. Engng 1960 v. 38, № 3, p. 67.

39. Martinelli R. C. andBoelter L. M. K., The analytical prediction "I superposed free and forced viscous convection in a vertical pipe, University of California Publications in Engng, ,1942, v. 5, № 2, p. 23—58.

40. M a r t i n e 11 у R. C., Southwell C. J., A 1 v e s G., С r a i g H. L„ Weinberg E. G., (Lansing N. F. and Boelter L. M. K-, Heat transfer and pressure drop for a fluid flowing in the viscous region through a vertical pipe, Trans. ASME. 1942, v. 38, № 3, p. 493—530.

41. Pigford R. L., Chem. Engng Progress, Symposium series, 1955, v № 17.

42. Rosen E. M., Hanratty T. J., A. I. Ch. E. Journal, 1961, v. 7№1 pp. 112—123.

43. Петухов Б. С., Но льде Л. Д., Теплообмен при вязкостно - гравитационном течении жидкости в трубах, «Теплоэнергетика», 1959, 1.

44. Аладьев И. Т., Михеев М. А. и Федынский О. С., Зависимость теплоотдачи в трубах от направления теплового потока и естественной конвекции, Изв. АН СССР, ОТН, 1951, № 1, стр. 53—67.

45. Kern D. Q. and Othmer D. F., Effect of free convection on viscous heal transfer in horisontal tubes, Trans. Amer. Inst. Chem. Eng., 1943, v. 39, № 4, p. 517 555; № 5, p. 579.

46. Петухов Б. С. О Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах, «Энергия», 1967, 412с.

47. Остроумов Г. А., Математическая теория установившейся теплопередача в круглой вертикальной скважине при суперпозиции вынужденной и свободной ламинарной конвекции, ЖТФ, 1950, т. 20, вып.

6, стр. 750—757.

48. Ilallman Т. М., Combined forced and free-laminar heat transfer in vertical tubes with uniform internal heat generation, Trans. ASME, 1956, v. 78, p. 1831—1841.

49.Brown W. G., (Die Überlagerung von erzwungener und natürlicher Konvektion bei niedrigen Durchsätzen in einem lotrechten Rohr, VDI-Forschungsheft, I960, Bd 26, № 480, S. 1—31.

50. Kirschbaum E., Neues zum Wärmeübergang mit und ohne Änderung (let, Aggregatzustandes, Chem.-Ing.-Technik, 1952. 24, № 7, S. 391—400.

51. T а о L. N., On combined free and forced convection in channels, J. of Heat Transfer (Trans. ASME, Ser. C), I960, v. 82, № 3, p. 233—238.

52. Ostrach S., On the flow, heat transfer and stability of viscous fluids subject to body forces and heated from below in vertical channels, Cb. «50 Jahre Grenzschicht- forschung», Braunschweig, 1955.

53. Han L. ;S., Laminar heat transfer in rectangular channels, J. of Heat Transfer (Trans. ASME, Ser. C), 1959, v. 81, № 2, p. 121—128.

54. T a о L. N., Heat transfer of combined free and forced convection in circular and sector tubes, Appl. Scient. Res., 1960, v. AO, № 5, p. 357—368.

55. Lu Pan-С hang, Combined free and forced-convection heat-generating laminar flow inside vertical pipes with circular sector cross sections, J. of Heat Transfer (Trans. ASME, ;Ser. C), 1960, v. 82, № 3, p. 227—232.

56. Morton B.R., Laminar convection in uniformly heated horizontal pipes at low Rayleigh numbers, Quart. J. Mech. a. Appl. Math., 1959. v. 12, №

4, p. 410-—420.

57. Петухов Б.С. и Поляков А. Ф., Экспериментальное исследование теплообмена при вязкостно-гравитационном течении жидкости в горизонтальной трубе, «Теплофизика высоких температур», 1967, т. 5, №1.

58. Петухов Б. С. и Поляков А. Ф., О влиянии свободной конвекции на теплоотдачу при вынужденном течении в горизонтальной^ трубе, «Теплофизика высоких температур», 1967, т. 5, № 2.

59. Остроумов Г. А., Свободная конвекция в условиях внутренней задачи, Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1952.

60. Сережкин Леонид Николаевич. Исследование устойчивости естественной циркуляции в' горизонтальном ¡ теплообменнике с вытяжной шахтой: диссертация кандидата технических нау : 01.04.14.- Калуга, 2006.180 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/1562. .

61. Чистяков' Є.Ф., Радун Д.В; «Теплотехнические измерения и приборы». М.: изд-во «Высшая школа», 1972, с.49 — 51, 285 - 287. .

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

63. Альтшуль А.Д. «Гидравлическое сопротивление». M.:

Строиздат. 1978. с. 108. .

64. Цыганков- A.C. «Расчеты теплообменных' аппаратов». Л.: Судпромгиз. 1956. с 115 — 132.

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

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

67. Исаченко В.П., Осипова В.Ф., Сукомел A.C. «Теплопередача». М.: Энергоиздат, 1981, с.235 - 239.

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

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

70. Зубарев В.H., Александров A.A. «Практикум по технической термодинамике». М.: Энергия, 1971, с.12 — 23.

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

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

73. Шенк X. «Теория инженерного эксперимента». М.: Мир, 1972, С.100- 107.

74. Гусев С.Е., Шкловер Г.Г. «Свободно-конвективный теплообмен при внешнем обтекании тел». М.: Энергоатомиздат, 1992, с.52 -56.

75. Кассандрова О.П., Лебедев В.В. «Обработка результатов измерений». М.: Наука, 1970, с. 15 — 35.

76. Батунер Л.М., Позин М.Е. «Математические методы в химической технике». Л.: Химия, 1971, с.521 - 527.