Теплообмен при фильтрации жидкости в круглых и кольцевых каналах, заполненных зернистой средой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПО ТЕПЛООБМЕНУ В ЗЕРНИСТОЙ СРЕДЕ.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Рабочий участок « круглая труба».

2.3. Рабочий участок «кольцевой канал».

2.4. Методика и погрешность измерений.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КРУГЛЫХ И

КОЛЬЦЕВЫХ КАНАЛАХ, ЗАПОЛНЕННЫХ ЗЕРНИСТОЙ СРЕДОЙ.

3.1. Определение эффективных коэффициентов теплопроводности в зернистой среде при фильтрации жидкости.

3.2. Теплообмен при фильтрации жидкости в круглом канале, заполненном зернистой средой.

3.3. Теплообмен при фильтрации жидкости в кольцевом канале.

3.4. Физическая модель теплообмена стенок канала с фильтрационным потоком.

3.5. Теплоотдача от тел, погруженных в зернистую среду.

ЭСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Исследование процессов переноса при фильтрации в зернистых средах относится к числу наиболее сложных фундаментальных задач теплофизики. Это связано с наличием дополнительных масштабов длины, структурой расположения элементов зернистого слоя в канале, отличием теплофизических свойств частиц и фильтрирующейся жидкости, необходимостью введения эффективных коэффициентов переноса и т.д.

История изучения указанной проблемы насчитывает несколько десятилетий и включает в себя многие публикации, обобщающие соответствующие этапы решения проблемы. Начало в исследовании течения через зернистые среды было положено ещё в XIX веке Дарси, который получил экспериментально простую связь между перепадом давления и скоростью фильтрации жидкости. Позднее исследования были направлены на определение структурных характеристик зернистой среды и их влияние на процессы переноса тепла и массы. Бы-ии предприняты также попытки моделирования как течения в зернистой среде, гак и процессов тепломассообмена.

К настоящему времени накоплен экспериментальный материал о среднем гидравлическом сопротивлении зернистого слоя, о процессах тепло- и массо-эбмена частиц с фильтрующейся жидкостью, о коэффициентах диффузии тепла а массы в зернистом слое. Хуже изучены как теоретически, так и эксперимен-гально, процессы переноса при обтекании поверхностей, погружённых в зернистую среду. Основной трудностью, возникающей при анализе экспериментальных данных различных исследователей и рекомендации к применению на прак-гике обобщающих зависимостей для коэффициента теплоотдачи, является золыпой разброс данных, особенно в области малых скоростей фильтрации. Это объясняется недостатками существующих методик, малым количеством сведений о внутренней структуре зернистого слоя и течении в межзерновом тространстве. Имеются лишь отдельные работы, в которых делаются попытки получить распределение скорости внутри зернистого слоя. Результаты таких исследований носят, в основном, качественный или методический характер.

В последние годы активизировались исследования теплообмена в зернистых средах. Это связано с их широким применением в химической и нефтегазодобывающей промышленности, где интерес к зернистым средам связан с необходимостью разработки и совершенствования процессов и аппаратов химической технологии, повышением эффективности тепловых методов интенсификации добычи нефти и газа. В ядерной энергетике получили применение ядерные реакторы с неподвижным зернистым слоем, в которых зернистая среда служит для охлаждения погруженных в неё ТВЭЛов, а в традиционной энергетике эта среда используется при проектировании и совершенствовании компактных и эффективных теплообменников. При рассмотрении этого спектра задач к проблемам технологического плана тесно примыкают задачи углубленного теоретического и практического анализа природных теплофизических про-дессов в земной коре.

Зернистые среды, кроме того, в известной мере, могут рассматриваться в качестве модели пористых сред с детерминированными структурой и соответствующим эквивалентным характерным размером.

Приведенный круг проблем подчёркивает необходимость фундаменталь-гого изучения термогидродинамических характеристик процессов переноса в ¡ернистых средах. Вместе с тем сложность исследуемого объекта не позволяет гадеяться на создание в обозримом будущем достаточно строгой теории, кото-)ая позволила бы рассчитывать осредненные и структурные характеристики ютоков в таких системах. В этой связи особенно велика роль систематических »кспериментальных исследований и физических моделей, учитывающих основ-1ые свойства соответствующих режимов фильтрации и представляющие возможность объяснения и обобщения экспериментальных данных.

В настоящей работе представлено систематическое экспериментальное ис-ледование теплоотдачи от стенок круглых и кольцевых каналов, заполненных зернистой средой, к фильтрующейся жидкости в широком диапазоне режимных параметров и для различных видов упаковок. Предложены обобщающие коррекции для определения коэффициента теплоотдачи от стенок каналов к жидкости при постоянном тепловом потоке на стенке для участка тепловой стабилизации при инерционном режиме течения. Предложено объяснение полученной зависимости, обобщающей экспериментальные данные в инерционном режиме фильтрации жидкости, основанное на представлении о том, что вихревой механизм переноса тепла в межзерновом пространстве является основным.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены систематические экспериментальные исследования теплообмена в кольцевом канале, заполненном зернистой средой, в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

2. Выполнена оценка вклада термического сопротивления ядра потока и пристенной зоны на основе измерений коэффициентов теплоотдачи, профилей температур поперёк зернистого слоя и определения эффективного коэффициента теплопроводности.

3. Показано, что в инерционном режиме фильтрации жидкости теплообмен соответствует «закону степени 1/2». Предложена полуэмпирическая зависимость, хорошо обобщающая полученные экспериментальные данные по теплообмену в трубе и кольцевом канале, а также данные других авторов.

4. При турбулентном режиме фильтрации жидкости теплообмен в кольцевом канале соответствует универсальному «закону степени 2/3».

1. Атаманов В.В., Харитонов В.В., Якутии Н.В., 1996

2. Взаимосвязь теплопередачи и диссипации энергии потока в шаровых засыпках // ТВТ. Т. 34, № 4. с. 590-596.

3. Аэров М.Э., Тодес О.М., 1968

4. Гидравлические и тепловые основы работы аппвратов со стационарным зернистым слоем. JL: Химия.

5. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А., 1979

6. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Л.: Химия.

7. Аэров М. Э., Умник H.H., 1951 а

8. Коэффициенты теплопроводности в зернистом слое // ЖТФ. Т. XXI, вып.11.-С. 1351-1363.

9. Аэров М.Э., Умник H.H., 19516

10. Теплоотдача от труб, заполненных зернистой насадкой // ЖТФ. Т. XXI, вып.11.-С. 1364-1371.

11. Беннет К. О. и Майерс Дж.Е. ,1966

12. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. М.: изд-во Недра.1. Богоявленский Р.Г., 1978

13. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпературных ядерных реакторах с шаровыми твэлами М.: Атомиздат.

14. Брандес E.H., Бадатов Е.В., Накоряков В.Е., Слинько М.Г., Матрос Ю.Ш.,1973

15. Исследование распределения потока в неподвижном зернистом слое электрохимическим методом // ТОХТ. Т. VII, № 3. - С. 395-400.

16. Буевич Ю.А. и Казенин Д.А., 1977

17. Предельные задачи о переносе тепла или массы к цилиндру и сфере, погруженным в инфильтруемый зернистый слой // ПМТФ. № 5. - С. 94102.

18. БуевичЮ.А. и Перминов Е.Б., 1985

19. Стационарный обмен между инфильтруемым зернистым слоем и погруженным в него телом // ИФЖ. № 1. - С. 35-44. Горин A.B., Дехтярь РА., Мухин В.А., Саломатин E.H., 1996

20. Теплообмен фильтрующейся жидкости со стенками канала, заполненного зернистой средой // Теплофизика и аэромеханика. Т. 3, № 2. -С. 191-199. Горин A.B., Дехтярь P.A., Мухин В.А., 1997

21. Теплообмен при фильтрации жидкости в кольцевом канале, заполненном зернистой средой // Теплофизика и аэромеханика. Т. 4, № 4. - С. 435-440. Горин A.B., СиковскийД.Ф., 1992

22. Законы подобия турбулентности в отрывных течениях // Труды П-й Рос. Нац. Конф. по теплообмену. Т. 2. - С. 88-92. Евсеев А.Р., Накоряков В.Е., Романов H.H. Танишев М.К., 1989

23. Исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в пристенной ячейке кубической упаковки шаров // Изв. СО АН СССР, Серия техн. наук. Вып. 3. - С. 79-84. Кириллов В.А., Матрос Ю.Ш., Сорокин В.Н., Касаманян М.А., Слинько М.Г., 1972

24. Гидродинамическая обстановка в свободном объёме слоя катализатора // ДАН СССР. Т. 206, № 6. - С. 1409-1411.

25. Кокорев JT.C., Субботин В.И., Федосеев В.Н., Харитонов В.В., Воскобойников В.В., 1987

26. О взаимосвязи гидравлического сопротивления и теплопередачи в пористых средах // ТВТ. Т. 25, № 1. - С. 92-97.

27. Королёв В.Н., Сыромятников H.H., Толмачёв Е.М., 1977

28. Структура неподвижного и псевдоожиженного слоя зернистого материала вблизи погружённой в него поверхности (стенки) // ИФЖ. Т. XXI,№6.-С. 258-264.1. Кремлёвский П.П., 1963

29. Расходомеры. M.-JL: Машгиз.1. Мак-Адамс В.Х., 1961

30. Теплопередача. М.: Металлургиздат.

31. Мухин В.А., Смирнова H.H., 1978

32. Исследование процессов тепломассообмена при фильтрации в пористых средах. Новосибирск, 15с. (Препринт / АН СССР. Сиб. Отд-ние. Институт теплофизики; № 26-78 ).

33. Накоряков В.Е., Балуев В.В., Мухин В.А., 1990

34. Локальная теплоотдача цилиндра, погруженного инфильтруемый зернистый слой // Изв. СО АН СССР, Серия тех. наук. Вып. 1. - С. 3-8.

35. Накоряков В.Е., Мухин В.А., Балуев В.В., Воропаев A.A., 1991

36. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия.

37. Петухов Б.С., Гении Л.Г., Ковалёв С.А., 1974

38. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Атомиздат.1. Полюхович В.М., 1992

39. Особенности структуры и гидравлическое сопротивление тонких кол-цевых засыпок // Весщ АН Беларусь Сер. ф1з.-энерг. наук. № 1. - С. 66-72.

40. Справочник по теплообменникам, 1987

41. Под ред. Петухова Б.С., Шикова В.К. Т. 1. - М.: Энергоатомиздат.

42. Федосеев В.Н., Субботин В.И., Харитонов В.В., 1987

43. Универсальная зависимость теплоотдачи от градиента давления в пористых средах // Теплоэнергетика. № 6. - С. 61-64.1. Шейдеггер А.Э., 1960

44. Физика течения жидкостей через пористые среды. М.: Госоптехиз-дат.1. Achenbach Е., 1995

45. Heat and flow characteristics of packed beds // Exp. Thermal and Fluid Science. -No. 10.-P. 17-27.

46. Argo W.B. and Smith J.M., 1953

47. Heat transfer in packed beds // Chem. Eng. Progress. Vol. 49, No.8. - P. 443-451.

48. Benenati R.F. & Brosilov C.B., 1962

49. Void fraction distribution in packed beds // AIChE Journal. Vol. 8, No.3. -P. 359-361. Brinkman H.C., 1947

50. A calculation of the viscous force exerted by a flowing fluid on a dense swarm of particles // Appl. Scient Res. Vol. Al. - P. 27-34. Carman P. C., 1937

51. Fluid flow through granular beds // Trans. Inst. Chem. Eng. Vol. 15. - P. 150-156. Cheng P., 1982

52. Mixed convection about a horizontal cylinder and a sphere in a fluid-saturated porous medium // Int. J. of Heat and Mass Transfer. Vol. 25. -P. 1245-1247. Cheng P. and Hsu C.T., 1986

53. Fully-developed, forced convective flow through an annular packed-sphere bed with wall effects // Int. J. of Heat and Mass Transfer. Vol. 29, No. 12. -P. 1843-1853. Cheng P. and Vortmeyer D., 1988

54. Transverse thermal dispersion and wall channelling in a packed bed with forced convective flow // Chem. Eng. Science. Vol. 43, No.9. - P. 25232532.1. Chennakesavan B., 1960

55. Heat transfer to liquid streams in a packed tube containing large packing // AIChE Journal. Vol. 6, No.2. - P. 246-250. Colburn A.P., 1931

56. Heat transfer and pressure drop in empty, baffled and packed tubes // Ind. and Eng. Chemistry. Vol. 23, No.8. - P. 910-923. CoberlyC.A. and Marshal W.R., 1951

57. Temperature gradients in gas stream flowing through fixed granular beds // Chem. Eng. Prog. Vol. 47, No.3. - P. 141-150. CopageJ. E. and London A. L., 1956

58. Heat transfer and flow friction characteristics of porous media // Chem. Eng. Prog. Vol. 52, No.2. - P. 57-63. Dibbs A. and Edwards R.V., 1984

59. Fundamentals of transport phenomena in porous media // Martinus Nijhoff, NATO ASI Series E: Appl. Science. Vol. 82. - P. 201-258. Dixon A. G. and Cresswell D.L., 1979

60. Theoretical prediction of effective heat transfer parameters in packed beds // AIChE Journal. Vol. 25, No.4. - P. 663-676. Dixon A. G. and Labua L.A., 1985

61. Wall-to-liquid coefficients for fixed bed heat and mass transfer // Int. J. Heat and Mass Transfer. Vol. 28, No.4. - P. 879-881. ErgunS., 1952

62. Fluid flow through packed columns // Chem. Eng. Progr. Vol. 48, No.5. - P. 89-94. Glass D.H. and Harrison D., 1964

63. Flow patterns near a solid obstacle in a fluidized bed // Chem. Eng. Science. Vol. 19, No. 12. - P. 1001-1002. FandR.M., Kim B. Y.K., Lam A.C.C., Phan R. T., 1987

64. Resistance to the flow of fluids through simple and complex porous media whose matrices are composed of randomly packed spheres // ASME Journal of Fluids Eng. Vol. 109. - P. 268-274. FandR.M. and Phan R.T., 1987

65. Combined forced and natural convection heat transfer from a horizontal cylinder embedded in a porous medium // Int. J. of Heat and Mass Transfer.-Vol. 30.-P. 1351-1358.

66. FandRM. and Thinakaran R., 1990

67. The influence of the wall on flow through pipes packed with spheres // ASME J. Fluids Eng. Vol. 112. - P. 84-88.

68. Hunt M.L. and Tien C.L., 1989

69. Non-Darcian convection in cylindrical packed beds // Transaction of ASME J. of Heat Transfer. Vol. 110. - P. 378-384.

70. Jolls K.R. and Hanratty T.J., 1966

71. Transition to turbulence for flow through a dumped bed of spheres // Chem. Eng. Science. Vol. 21, No. 12. - P. 1185-1190.

72. Jolls K.R. and Hanratty T.J., 1969

73. Use of electrochemical techniques to study mass transfer rates and local skin friction to a sphere in a dumped bed // AIChE Journal. Vol. 15, No.3. - P. 199-205.1. Kaviany M., 1991

74. Priciples of heat transfer in porous media. New-York: Springer.

75. KubotaH., IkedaM., Nishimura V., 1966

76. Note of flow-profile in packed bads // Chem. Ing. Jap. Vol. 4, No. 1 - P. 58-61.

77. Kunii D. and Smith J.M., 1960

78. Heat transfer characteristics of porous rocks // AIChE Journal. Vol. 6, No.2. - P. 71-78.

79. Kunii D. and Suzuki M., 1969

80. Heat and mass transfer from wall surface to packed beds // J. of the Faculty of Engineering, University of Tokio (B). Vol. XXX, No.l. - P. 1-15.

81. Kunii D., Suzuki M., OnoN., 1968

82. Heat transfer from wall surface to packed beds at high Reynolds number // J. Chem. Eng. Japan. Vol. 1, No.l. - P. 21-26.1.tifi M. A., Midoux N., StorckA. and Gence J. N., 1989

83. The use of micro-electrodes in the study of the flow regimes in a packed bed reactor with single phase liquid flow // Chem. Eng. Science. Vol. 44, No. 11. - P. 2501-2508. LevaM., 1947

84. Heat transfer to gases through packed tubes. General correlation for smooth spherical particles //Ind. and Eng. Chemistry. Vol. 39, No.7. - P. 857-862. LevaM. andGrummerM., 1948

85. Heat transfer to gases through packed tubes. Effect of particles characteristics // Ind. and Eng. Chemistry. Vol. 40, No.3. - P. 415-419. LevaM., Weintraub M., Grummer M., ClarkE.L., 1948

86. Cooling of gases through packed tubes // Ind. and Eng. Chemistry. Vol. 40, No.4. — P. 747-752. Li C.-H. andFinlayson B. A., 1977

87. Heat transfer in packed beds a réévaluation // Chem. Eng. Science. - Vol. 32.-P. 1055-1066. MehtaD. and Hawley M.C., 1969

88. Wall effect in packed columns //1 & EC Process Design and Development. -Vol. 8, No. 2.-P. 280-282. Mickley H.S., Smith K.A., KorchakE.I., 1965

89. Fluid flow in packed beds // Chem. Eng. Science. Vol. 20, No. 3. - P. 237-246. Mueller G.E., 1991

90. Prediction of radial porosity distribution in randomly packed fixed beds of uniformly sized spheres in cylindrical containers // Chem. Eng. Science. -Vol. 46. P. 706-708. Nasr K., Ramadhyani S., Viskanta R., 1994

91. An experimental investigation on forced convection heat transfer from a cylinder embedded in a packed bed // J. of Heat Transfer. Vol. 116, No. 1. -P. 73-80.

92. Nield DA. andBejanA., 1999

93. Convection in porous media. New-York: Springer.

94. Nilles M. and Martin H., 1990

95. Heat transfer at the wall of packed beds // Proc. 9th Int. Heat Transfer Conf. -Vol. 5.-P. 255-261.

96. Poulikakos D. and Renken K., 1987

97. Forced convection in a channel filled with porous medium, including the effects of flow inertia, variable porosity, and Brinkman friction // J. Heat Transfer. Vol. 109. - P. 880-888.

98. Quinton J. H. andStorrow J. A., 1956

99. Heat transfer to air flowing through packed tubes // Chem. Eng. Science. -Vol. 5,No. 6.-P. 245-257.

100. Roblee L.H.S., BairdR.M. and Tierney J. W., 1958

101. Radial porosity variations in packed beds // AIChE Journal. Vol. 4. - P. 460-464.

102. Handbook of heat transfer applications, 1985ed. by Rohsenow W.M. and Hartnett J.P. New-York: Mc Graw-Hill Book Company.1. Schlünder E. U., 1966

103. Wärme- und Stoffübertragung zwischen durchströmten Schüttungen und darin eingebetteten Einzelkörpern // Chem. Ing. Techn. Vol. 38. - P. 767-779.

104. StorckA. and Coeur et F., 1980

105. Mass transfer between a flowing liquid and a wall or an immersed surface in fixed and fluidized beds // Chem. Eng. Journal. Vol. 20. - P. 149-156.1. VafaiK., 1984

106. Convective flow and heat transfer in variable porosity media // Journal of Fluid Mech. Vol. 147. - P. 233-259.

107. VafaiK., AlkireR.L., Tien C.L., 1985

108. An experimental investigation of heat transfer in variable porosity media // J. of Heat Transfer. Vol. 107. - P. 642-647.

109. Van der Merve D.J. and Gauvin W.H., 1971

110. Velocity and turbulence measurement of air flow through a packed bed // AIChE Journal. Vol. 17, No.3. - P. 519-528.

111. Varahasamy M. and Fand R.M., 1996

112. Heat transfer by forced convection in pipes packed with porous media whose matrices are composed of spheres // Int. J. Heat Mass Trans. Vol. 39, No. 18.-P. 3931-3947.

113. Verschoor H. and Schuit G.C.A., 1950

114. Heat transfer to fluid flowing through a bed of granular solids // Appl. Science Res. Vol. 42, A2, No.2. - P. 97-119.

115. Vortmeyer D. andShuster J., 1983

116. Evalution of steady flow profiles in rectangular and circular packed beds // Chem. Eng. Science. Vol. 38. - P. 1691-1699.1. WangB-X. andDuJ-H., 1993

117. Forced convection heat transfer in a vertical annulus filled with porous media // Int. J. Heat Mass Trans. Vol. 36, No. 17. - P. 4207- 4213.1. YagiS. and Kunii D., 1960

118. Studies on heat transfer near wall surfase in in packed beds // AIChE Journal. Vol. 6, No.l. - P. 97-104.

119. Yagi S. and Kunii D., 1961

120. Studies on heat transfer in packed beds // Int. Development in Heat Trans. Colorado. Pt. IV. - P. 750-759.

121. Yagi S. and Wakao N., 1959

122. Heat and mass transfer from wall to fluid in packed beds // Amer. Inst. Chem. Eng. J. Vol. 5, No.l. - P. 79- 85.

123. Yevseyev A.R., Nakoryakov V.E., Romanov NN., 1991

124. Experimental investigation of a Turbulent filtration flow // Int. J. Multiphase Flow. Vol. 17,No.l.-P. 103-118.

125. Zehner P. and Schlünder E.U., 1970

126. Thermal conductivity of granular materials at moderate temperatures (in German) // Chemie Ingenieur Technik. Vol. 42. - P. 933-941.

127. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

128. Горин A.B., Дехтярь P.A., Мухин В.А., Саломатин E.H. Теплообмен фильтрующейся жидкости со стенками канала, заполненного зернистой средой // Теплофизика и Аэромеханика. — 1996. т.З, №2. - с.191-199.

129. Горин A.B., Дехтярь P.A., Мухин В.А. Теплообмен при фильтрации жидкости в кольцевом канале, заполненном зернистой средой // Теплофизика и Аэромеханика. 1997. - т.4, №4. - с.435-440.

130. Горин А. В., Дехтярь P. А. Процессы переноса в зернистом слое // Труды Международной конференции «Всесибирские чтения по математике и механике», Томск, 1997. т. 2. — с. 137-138.

131. Дехтярь Р. А. Теплообмен при вынужденной конвекции в каналах с зернистым слоем // Труды V Всероссийской конференции молодых учёных "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики", Новосибирск, 1998.- С. 28-31.

132. Горин A.B., Дехтярь P.A., Мухин В.А., Саломатин E.H. Теплообмен со стенками каналов, заполненных зернистой средой // Труды Второй Российской Национальной конференции по теплообмену, Москва, 1998. т. 5. - с. 175-178.1. ПРИМЕЧАНИЕ

133. Работа проводилась в Институте Теплофизики им. С.С. Кутателадзе под руководством д. ф.-м. н. A.B. Горина и при консультации д. т. н., профессора В.А. Мухина.

134. Тема диссертации была поставлена научным руководителем A.B. Гориным и научным консультантом В.А. Мухиным.

135. Соавтор статей E.H. Саломатин создал экспериментальный стенд и участвовал в проведении основных измерений теплообмена в круглом канале, заполненном зернистой средой.

136. К.Г. Грехнёв, будучи студентом-дипломником, участвовал в проведении экспериментальных исследований в круглой трубе.