Теплоотдача и гидравлическое сопротивление труб со вставками в виде оребренных скрученных лент тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

и**/

ГИНИЯТУЛЛИН АРТУР АИРАТОВИЧ

ТЕПЛООТДАЧА И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТРУБ СО ВСТАВКАМИ В ВИДЕ ОРЕБРЕННЫХ СКРУЧЕННЫХ ЛЕНТ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

11 ноя 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2015

005564313

005564313

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» в лаборатории моделирования физико- технических процессов кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения».

Научный руководитель: доктор технический наук, профессор Тарасевич

Станислав Эдуардович

Официальные оппоненты: Николаев Андрей Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», заведующий кафедрой «Оборудования пищевых производств»

Якимов Николай Дмитриевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры «Теоретические основы теплотехники»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "МЭИ"»

Защита диссертации состоится 2015 года в ^ час.^^мин. на

заседании диссертационного совета Д.212.079.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева -КАИ» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» и на сайте http:/www.kai.ru/science/disser/index.phtml.

Автореферат разослан «¿У» ¿-¿¿^у^ау 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета (/^С^--'А.Г. Каримова

Д.212.079.02, ^

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Требования к повышению тепловой эффективности теплообменных аппаратов, приводящие к экономии энергии, материала и снижению стоимости, и как итог уменьшению воздействия на экологию, привели к разработке и использованию различных методов повышения теплоотдачи. Эти методы получили название интенсификация процессов теплоотдачи. Интенсификация тепломассообменных процессов имеет большое значение для достижения прогресса в совершенствовании имеющегося и создании нового энергетического и теплообменного оборудования. Проблемы снижения весогабаритных характеристик теплообменного оборудования и увеличения теплогид-равлической эффективности могут успешно решаться при помощи использования в теплообменных аппаратах интснсификаторов теплообмена.

Среди многообразия способов интенсификации теплообмена закрутка потоков рабочих сред является одним из наиболее простых и распространенных способов и широко используется в энергонапряженных каналах ядерно-энергетических установок, теплообменных аппаратов, агрегатов авиационной и ракето-космической техники, химической промышленности и других технических устройств. Это связано с тем, что применение закрученных потоков приводит не только к усилению тепло- и массообмена, но и выравниванию температурных неравномерностей, стабилизации течения и процессов горения, обеспечивает эффективное и экологически чистое сжигание топлива. По современной классификации методов интенсификации теплообмена закрутка потока в каналах, создаваемая с помощью закручивающих устройств, относится к пассивным методам интенсификации, то есть не требует дополнительного подвода энергии извне. Самое эффективное и широко используемое устройство для закрутки потока в трубах - вставки в виде скрученной ленты.

В последние годы повышенный интерес представляет многоцелевое использование закручивающих устройств в рамках комплексных методов интенсификации: например, одновременно в качестве турбулизаторов и закручивателей пристенных слоев жидкости в каналах теплообменных трактов. Эти устройства наряду с дополнительным вихреобра-зованием и турбулизацией пристенной области обеспечивают глобальную циркуляцию потока, благоприятно влияющую на выравнивание температурных неоднородностей и усиление тепломассообменных процессов. В данной работе проведено исследование теп-логидравлических характеристик труб со вставками в виде скрученных лент с ребрами на поверхности различной геометрии, обеспечивающих комплексную интенсификацию теплообмена при вынужденном течении теплоносителя.

Степень разработанности. Большое разнообразие конструкций закручивающих устройств и сложная структура турбулентных потоков в каналах с завихрителями обусловили в основном прикладной характер проводимых в настоящее время исследований. Полученные при этом расчетные рекомендации носят ограниченный характер и имеют вид обобщающих эмпирических зависимостей, описывающих отдельные типы каналов, за-вихрителей и режимы течения. Вместе с тем, проблема создания универсальных инженерных методов расчета гидродинамики и теплообмена закрученных течений в каналах сложной геометрии, основанных на более глубоком, фундаментальном изучении физической природы таких течений, приобретает все большую актуальность для решения задач повышения эффективности, надежности и безопасности работы энергоустановок и теплообменного оборудования, а также для оптимизации их конструкций в целях снижения материалоемкости и затрат энергии на собственные нужды.

Цель и задачи исследования. На основе проведенного обзора поставлена основная цель работы: разработка рекомендаций по расчету гидросопротивления и теплоотдачи труб со вставками в виде оребренных скрученных лент, необходимых для создания эффективных теплообменных аппаратов общего и специального назначения на основе выявленных механизмов интенсификации теплообмена.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

— создать автоматизированный экспериментальный стенд для исследования теплообмена и гидродинамики однофазных течений в трубах со вставками в виде оребренных скрученных лент при турбулентном режиме течения;

— изучить на основе экспериментального исследования влияние безразмерных геометрических параметров ребер, установленных на поверхность скрученной ленты, на теплообмен и гидродинамику потоков в трубах при турбулентном режиме течения;

— получить на основе экспериментального исследования зависимости для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления труб со вставками в виде скрученных лент с ребрами на поверхности, имеющими разную высоту, шаг и угол установки;

— изучить теплогидравлическую эффективность метода интенсификации теплообмена с использованием скрученных лент с оребренной поверхностью;

— изучить на основе численного моделирования процесс обтекания одиночного ребра, установленного на поверхность скрученной ленты;

— выработать методику численного моделирования для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления труб с гладкими и оребренными скрученными лентами;

— сопоставить результаты численного моделирования по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению с имеющимися литературными зависимостями для гладких скрученных лент, и с собственными экспериментальными данными для оребренных скрученных лент;

— провести численное моделирование поверхностного кипения в трубе со вставкой в виде гладкой скрученной ленты. Выявить основные особенности течения и теплообмена, а также распределения фаз в условиях влияния массовых сил.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Полученные обобщающие зависимости позволяют проводить тепловые и гидродинамические расчеты для труб теплообменного оборудования со вставками в виде оребренных скрученных лент. Предложенные рекомендации по выбору оптимальных безразмерных геометрических параметров оребрения и рациональных режимных параметров позволяют разрабатывать и проектировать эффективные компактные теплообменные аппараты и системы охлаждения. Использование исследованных в работе интенсификато-ров в виде оребренных скрученных лент в уже имеющемся теплообменном оборудовании позволяет улучшить их массогабаритные и теплогидравлические характеристики. Выполненная работа также расширяет фундаментальные знания о процессах течения, теплообмена и гидродинамики в трубах со вставками в виде оребренных скрученных лент. Созданная и опробованная методика численного исследования позволяет использовать преимущества моделирования при проектировании и разработке теплового и энергетического оборудования.

Материалы работы могут быть использованы в учебном процессе и на предприятиях, занимающихся проектированием и изготовлением теплообменных аппаратов и

энергетического оборудования. Созданный автором экспериментальный стенд используется для проведения лабораторных работ в учебном процессе и для выполнения научных исследований по другим тематикам.

Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по проекту РФФИ 09-08-00224-а «Экспериментальное исследование и численный расчет теплообмена и гидродинамики в каналах с микро- и макрошероховатыми поверхностями при одно- и двухфазных течениях» (руководитель к.т.н., доцент Яковлев А.Б.); проекту № 2.1.2/12279 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по теме «Тепломассообмен и гидродинамика в каналах с шероховатыми поверхностями и закруткой потока» (руководитель д.т.н., проф. Тарасевич С.Э.); ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по проекту «Разработка ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив» государственный контракт № П2467 от 9 ноября 2009 г. (руководитель к.т.н. Яковлев А.Б.); проекту РФФИ 12-08-33032 «Разработка научно-технических решений по интенсификации теплоотдачи при свободной и вынужденной конвекции одно- и двухфазных теплоносителей в компактных системах охлаждения» (руководитель к.т.н. Рыжков Д.В.); проекту РФФИ 13-08-0469 А «Экспериментальное и численное исследование теплообмена и гидродинамики в каналах с различными закручивающими вставками при одно- и двухфазных течениях» (руководитель к.т.н. Яковлев А.Б.); проекту РФФИ 14-08-31178 «Экспериментальное исследование теплогидрав-лических характеристик двухфазных течений при кипении хладагентов R134a и R507a в каналах различной формы» (руководитель Шишкин A.B.); проекту №14.Z50.31.0003 от 4 марта 2014 г. «Создание многопрофильной, комплексной лаборатории моделирования физико-технических процессов прн решении сопряженных задач аэромеханики, теплофизики, акустики и вибростойкости, вентиляции и микроклимата, экологии и мониторинга эксплуатации грузовых автомобилей и их агрегатов».

Личный вклад автора. Автором проанализированы имеющиеся в литературе результаты исследований теплогидравлических характеристик труб со вставками в виде гладких скрученных лент и лент модифицированной конструкции, сформулированы основная цель и задачи исследования; создан экспериментальный стенд в соответствии с задачами исследования; разработан экспериментальный участок для проведения экспериментальных исследований теплогидравлических характеристик труб со вставками в виде оребренных скрученных лент; проведено экспериментальное исследование гидросопротивления и теплоотдачи труб со вставками в виде скрученных лент, выполнены обработка, анализ и обобщение результатов с получением зависимостей для расчета теплоотдачи и гидросопротивления; проведена оценка теплогидравлической эффективности метода интенсификации теплообмена в трубах со вставками в виде оребренных скрученных лент.

Проведено численное исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления труб со вставками в виде гладких и оребренных скрученных лент; выполнено сравнение расчетных данных с результатами литературных зависимостей и собственными экспериментальными данными, выполнена обработка и анализ результатов; изучен процесс обтекания одиночного ребра, выявлены основные особенности; выполнено численное моделирование кипения потока недогретой жидкости в трубе со вставкой в виде скрученной ленты.

Методология и методы исследования. Объектом исследования являются тепло-обменные трубы со вставками в виде оребренных скрученных лент. Для изучения влияния геометрических параметров ребер и основных режимных параметров на теплоотдачу и гидросопротивление использовались экспериментальные методы исследования. В экспериментах реализовывался омический нагрев исследуемых труб (ГОСТ Р 8.655-2009). Вынужденное течение в трубах реапизовывалось на проливном водяном стенде с аттестованными приборами измерений расходов (ГОСТ Р 50193.3-92), температуры (ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ) и давления (ГОСТ 22520-85). Численное моделирование выполнялось в коммерческом гидро- газодинамическом пакете ANSYS Fluent.

Научная новизна.

— получена обобщающая зависимость для расчета теплоотдачи труб со вставками в виде оребренных скрученных лент при турбулентном режиме течения в исследованном диапазоне режимных и конструктивных параметров;

— получены обобщающие зависимости для расчета гидравлического сопротивления труб со вставками в виде оребренных скрученных лент при турбулентном режиме течения в исследованном диапазоне режимных и конструктивных параметров;

— изучена теплогидравлическая эффективность метода интенсификации теплообмена с использованием скрученных лент с оребренной поверхностью;

— на основе численного исследования изучен процесс обтекания одиночного ребра в поле массовых сил, обусловленных закруткой;

— на основе численного исследования изучен процесс и выявлены основные особенности поверхностного кипения при вынужденной конвекции в трубе со вставкой в виде скрученной ленты;

— создана и опробована методика численного расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления в трубах со вставками в виде гладких и оребренных скрученных лент.

Отмеченные выше научные результаты составляют основное содержание положений, выносимых на защиту диссертации.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов подтверждаются соответствующей точностью и калибровкой всех измерительных систем и использованием аттестованных приборов; использованием апробированных методов; оценкой неопределенности измерений; выполнением тестовых опытов и хорошим согласованием их результатов с работами других исследователей; использованием современных компьютерных, аппаратных и программных средств для обработки данных; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных; соответствием полученных результатов физическим представлениям о процессах тепломассообмена при данных условиях течения.

Апробация результатов работы. Полученные основные результаты докладывались и были одобрены на Международной молодёжной научной конференции XVII, XVIII, XX, XXI «Туполевские чтения» (Казань, 2009, 2010, 2012, 2013 гг.), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2011 г.), на VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН Апе-масова В.Е. (Казань, 2012 г.), на VI международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ»

(Казань, 2011 г.), на международной научной школе «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях» (Москва 2011 г.), на шестой международной конференции «Baltic Heat Transfer Conférence» (г. Тампере, Финляндия 2011 г.), на международном симпозиуме американского общества инженеров механиков «Verification&Validation» (г. Лас-Вегас, США 2012 г.), на международной конференции американского общества инженеров механиков «Fluids Engineering Summer Meeting FEDSM 2013» (г. Инклайн Вилледж, США 2013 г.), на шестой «Российской Национальной Конференции по Теплообмену РНКТ-6» (Москва, Россия, 2014 г.).

Работа отмечена дипломами различных степеней на всероссийских и международных конференциях.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ (2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья в журнале системы Web of Science, 6 докладов в сборниках трудов конференций и 8 тезисов доклада).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, и списка литературы. Объем диссертации составляет 175 страниц машинописного текста, включая 107 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и ее цель, формулируются основные защищаемые положения, описывается научная новизна результатов.

В первой главе проанализировано современное состояние рассматриваемой проблемы и сформулированы задачи настоящего исследования. Выполнен критический анализ результатов исследований теплогидравлических характеристик труб со вставками в виде гладких скрученных лент и лент модифицированной конструкции.

Проведенный анализ литературных источников показал, что имеется значительное количество работ по исследованию теплообмена и гидродинамики в каналах с непрерывной по длине закруткой и, в частности, в трубах со вставленной скрученной лентой при одно- и двухфазных течениях (А.Е. Берглес, Р.Ф. Лопина, Р. Кох, Е. Смитберг и Ф. Лэн-дис, У. Гэмбил и Р. Банди, В.К. Щукин, В.К. Ермолин, М.Х. Ибрагимов, Е.В. Номофилов, В.И. Субботин и др.). Этот вопрос достаточно хорошо проработан в литературе. Было проведено большое количество экспериментальных исследований, получены обобщающие зависимости по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению, выявлены механизмы, отвечающие за интенсификацию теплообмена и рост гидравлического сопротивления. Следует отметить, что порой наблюдается значительное расхождение в данных различных авторов, поэтому большинство полученных ими соотношений пригодно лишь для ограниченного диапазона режимных и конструктивных параметров, при которых они были получены. Тогда как с точки зрения практики необходимы более общие зависимости, которые могут быть использованы при проектировании теплообменного и энергетического оборудования, работающего с различными жидкостями, геометриями скрученных лент и режимными параметрами.

В настоящее время в литературе помимо исследований влияния гладких скрученных лент на теплогидравлические характеристики потока, активно изучаются модифицированные скрученные ленты с геометриями, отличными от классической. Предпосылками использования геометрически модифицированных скрученных лент является жела-

ние уменьшить гидравлические потери при сохранении уровня интенсификации теплообмена, либо осуществить дополнительную интенсификацию теплообмена по сравнению с гладкими скрученными лентами.

В работах С.Э. Тарасевича, А.Б. Яковлева, A.B. Шишкина изучалось влияние скрученных лент, имеющих ребра на поверхности, установленных под углом к оси, на гидродинамику и теплообмен одно- и двухфазных течений. При течении двухфазного теплоносителя ребра смещают жидкую фазу к периферии, увеличивая тем самым смоченный периметр при больших значениях паросодержания и продляя бескризисные режимы теплообмена. Авторы также отмечают, что оребренные скрученные ленты являются эффективным средством интенсификации теплообмена при течении однофазного теплоносителя. Наибольшей эффективностью, по их мнению, обладают ребра, установленные против направления скручивания ленты. Научным коллективом кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения» КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева получен патент на изобретение устройства для интенсификации теплообмена, представляющего собой скрученную ленту, с установленными на поверхность ребрами под углом к оси.

Во второй главе изложено описание созданной экспериментальной установки по исследованию теплогидравлических характеристик теплообменных труб со скрученными лентами, конструкции экспериментального участка, приводятся методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных, произведена оценка неопределенности экспериментального исследования, проведены тестовые опыты по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению для проверки работоспособности экспериментальной установки и подтверждения достоверности получаемых результатов.

в,Схема стенда представлена на рисунке I. Гидравлическая схема стенда выполнена в виде разомкнутого контура с принудительной системой подачи теплоносителя из расходного бака нагревателя в экспериментальный участок. Все проточные части стенда выполнены из нержавеющей стали во избежание коррозии. В качестве теплоносителя используется дистиллированная вода. На установке реализована система автоматического управления параметрами экспери-

□

т т

▼ А

ä

з-М-

Рисунок 1. Гидравлическая схема экспериментального стенда: 1 -дистиллятор, 2 - бак нагреватель, 6 - фильтр, 7 - насос, 9 - проточный нагреватель, 10 - расходомеры, 11 - экспериментальный участок, 14 - бак накопитель, 15 -измерительная система, 3,4,5,8,12,13 - вентили, 16,17 - датчики давления

мента. Шкаф управления выполнен в виде отдельно стоящего металлического шкафа, в котором сосредоточены системы автоматизации, индикации, управления и защиты всей экспериментальной установки. Тепловой поток на стенках исследуемого канала обеспечивается омическим (электроконтактным) нагревом переменным током от сухого трансформатора марки «ТСС-160/0,5 УЗА». Напряжение на вторичной обмотке (НН) понижающего трансформатора плавно изменяется в диапазоне 2-24 В, что обеспечивает плавную

регулировку мощности, выделяемой на участке от 0,5 до 40 кВт. Эксперименты, проводимые на описанном выше стенде, позволяют охватить следующий диапазон изменения рабочих параметров: избыточное давление в канале до 10 атм.; массовый расход теплоносителя до 6,5 кг/с; плотность теплового потока на участке до 3 МВт/м2.

Экспериментальный участок для исследования теплоотдачи и гидросопротивления труб со вставками в виде скрученных лент, представляет собой канал с осевыми входом и выходом (рисунок 2). Толщина трубы составляет 1 мм при ее внутреннем диаметре 10 мм, длина трубы 460 мм. Канал размещался вертикально с подъемным течением теплоносителя. Наружная сторона экспериментального участка покрыта двумя слоями теплоизоляции для обеспечения минимальных теплопотерь. Между фланцами экспериментального участка и фланцами отводящих/подводящих патрубков устанавливается цельно выточенная прокладка из фторопласта толщиной 7 мм, которая обеспечивает электрическую и, в определенной мере, тепловую изоляцию рабочего участка от металлического контура всей экспериментальной установки. Участки стабилизации до и после рабочего участка имели длину 80d и 50d соответственно. К подводящим и отводящим патрубкам приварены штуцеры с гайкой для присоединения датчиков давления. Экспериментальный участок препарирован термопарами в семи сечениях по 4 штуки в каждом с наружной стороны канала, по одной термопаре установлено на входе и выходе теплоносителя. Корольки термопар изготавливались из проволоки хромель-копель диаметром 0,2 мм.

Для организации закрутки потока в экспериментальный участок устанавливались скрученные ленты толщиной 0,9 мм и шириной равной внутреннему диаметру трубы. В работе исследовались гладкие ленты и ленты, Рисунок 3. Гладкие ленты с относительными шагами за- имеющие ребра на поверхности.

кругки ,у/(/=2,5; 3; 4; 6 „

Ленты покрывались высокотемпературным лаком для обеспечения электрической изоляции. Относительные шаги закрутки ленты составляли s/d=2,5; 3; 4; 6 рисунок 3, где s - шаг закрутки при повороте на 180°, d — диаметр трубы. В поперечном сечении ребра представляют собой окружность, они изготавливались из проволоки различного диаметра. Ребра закреплялись на ленте специальным клеящим составом на основе поли- Рисунок 4. Скрученная лента с ребрами на поверхно-эфирных смол, после высыхания кото- CTH:J " скрученная лента; 2- торцевая кромка; poro, ленты окрашивались порошковой 3-рсбро

краской с последующей сушкой в сушильной камере (рисунок 4). Ребра устанавливались против направления скручивания ленты, высота ребер /7=0,5; 1; 1,5 мм, шаг установки

Рисунок 2. Фотография экспериментального участка, установленного на стенде

ребер /=40; 80; 120 мм, угол установки ребер относительно нормали к оси скрученной ленты а = 40; 45; 50°.

По замеренным температурам теплоносителя на входе Твх и выходе Т„Ых определяются температуры по сечениям канала методом линейной интерполяции, тепловая мощность, выделившаяся на экспериментальном участке - N= U ■/, где U- перепад напряжения на участке, / -ток, проходящий через участок. Удельная плотность теплового потока рассчитывалась по формуле qw = -, где S - площадь омываемой теплоносителем поверхности канала. Коэффициент теплоотдачи в каждом сечении определяется O-i = 7Z—По измеренному перепаду статического давления Ар, обусловленного трением и вторичными течениями, определяется коэффициент гидравлического сопротивле-

r 2АР d G

ния ç = —--, где pv = —, • — среднемассовая скорость теплоносителя в канале, Fo - пло-

pv L Fq

щадь поперечного сечения канала. Число Рейнольдса Re определяется по среднерасход-ной скорости и диаметру гладкой трубы d. Число Нуссельта определяется как

Nii[ = -г—. Имеющееся оборудование и использованная методика обработки эксперимен-

А/. i

тальных данных обеспечивают максимальную неопределенность измерений, выраженную в относительных единицах для числа Нуссельта - до ±8,9%, коэффициента гидравлического сопротивления - до ±14,6%.

Перед началом исследований теплогидравлических характеристик труб с оребрен-ными скрученными лентами проведены тестовые опыты на гладкой трубе и трубах со вставками в виде гладких скрученных лент. Данные по теплоотдаче и гидросопротивлению гладкой трубы сравнивались с расчетом по формулам М.А. Михеева (1) и Фило-ненко-Альтшуля (2) соответственно:

/Рг \0'25

Nu = 0,021ReOA3PrfOA3(—Ц ■ (1)

\rTwJ

1

{l.SlgRT1- 1,64)2

Данные по теплоотдаче и гидросопротивлению труб с гладкими скручеными лентами сравнивались с расчетом по формулам Берглеса (3) и Ибрагимова (4) соответственно:

Nu = 0,023Де0,8Рг0'4 (l + ( " Г (" '+2~ (0-)°» • (3)

V s/d ) \п - 45/d) \ п- AS/d ) \ц„) ' v '

n с.л г л л Т7Г-, _ i о m г /jm1'25 _ _ -il,75

ъ С1 QlnQû — 1 (кАЛ2' (2)

_ 0,3164 т 14,375

f - яе0,25 I1 + (s/d)4

п + 2- (28/d)

71 I1''3

тг-(4S/d) in - (45/d)\ ' (4)

Результаты проведенных тестовых экспериментов по теплоотдаче и гидросопротивлению при турбулентном режиме течения в прямых трубах, и в трубах со вставленной скрученной лентой удовлетворительно (±10%) согласуются с расчетами по известным литературным зависимостям и подтверждают достоверность получаемых результатов на созданном экспериментальном стенде.

В третьей главе описаны методика и математическая модель проведенного численного исследования, а также представлены результаты по теплообмену и гидродинамике потоков в трубах со вставками виде скрученных лент при однофазном режиме течения и в условиях поверхностного кипения. Моделирование было выполнено средствами коммерческого гидродинамического пакета Ansys Fluent 13.0 в трехмерной по-

становке. Вычислительная станция была построена на базе серверного 24-ядерного компьютера на основе двух процессоров Intel Xeon 5650. Для моделирования однофазных турбулентных несжимаемых течений использовались усредненные уравнения Рейноль-дса

dut dxi

дщ dp д . __

■ = о

dxi dxj

(5)

(6)

с замыканием по гипотезе Буссинеска

_ ( dut du.

Для моделирования турбулентности использовались две двухпараметрические модели турбулентности: RNG к-е модель турбулентности с пристеночными функци- _ ями и низкорейнольдсовая модель Мен-тера k-w SST.

На основании данной методики было проведено численное исследование gf теплоотдачи и гидросопротивления труб со 5 вставками в виде гладких скрученных лент при стабилизированном течении воды с теплофизическими свойствами, зависящими от температуры. Геометрические параметры расчетной области были аналогичны тем, при которых проводилось экспериментальное исследование. Результаты по теплоотдаче были сравнены с зависимостью Манглика-Берглеса. Результаты по гидросопротивлению были сравнены с двумя зависимостями: Манглика-Берглеса и Ибрагимова.

Наблюдается хорошее согласование результатов численного моделирования теплоотдачи трубы со скрученной лентой s/d~6, полученных в подходе с низкорей-нольдсовой моделью турбулентности к-со SST, с расчетной зависимостью Манглика-Берглеса особенно в области малых значений числа Рейнольдса (рисунок 5). Данные полученные в расчетах с к-е моделью турбулентности имеют более существенное расхождение, достигающее 17%.

Также наблюдается хорошее согла-

2

"з

(7)

■ Расчет s/d=6 k-w SST

Расчет s/d=6 k-e RNG \\f ■

-Формула Манглмка

±9°'»

Рисунок 5. Теплоотдача трубы с гладкой скрученной лентой ¿-/¿=6: точки - расчетные данные, линия — зависимость Манглика-Берглеса

Рисунок 6. Гидросопротивлснис трубы с гладкой скрученной лентой $/¿=6: точки - расчетные данные, линии - зависимости М.Х. Ибрагимова и Манглика-Берглеса

сование результатов численного моделирования гидросопротивления трубы со скручен-

ной лентой (рисунок 6), с максимальной относительной погрешностью ±7%, полученных в подходе с низкорейнольдсовой моделью турбулентности к-со 55Т, с расчетной зависимостью Ибрагимова во всей области исследованных чисел Рейнольдса.

Для установления общих представлений об обтекании ребер, закрепленных на поверхности скрученной ленты, и выявления особенностей течения в данных каналах, было выполнено численное моделирование течения в трубе со вставками в виде скрученных лент с относительными шагами закрутки $/¿=4', ¡/с1=Ъ и я/(]= со и единичным ребром высотой Л=0,5; 1 мм с углом установки Рисунок 7. Профили осевой скорости в сечениях секции трубы а=45°. На рисунке 7 представлены профили осевой скорости в сечениях секции трубы, образованной вставкой в виде скрученной ленты и поверхностью трубы на различных расстояниях от установленного ребра вниз по потоку и скорости на входе 4 м/с. Наличие ребра на поверхности скрученной ленты приводит к существенному перестроению профиля осевой скорости. Максимальное возмущающее действие ребра сосредоточено непосредственно в местах его взаимодействия с потоком, однако возмущение распространяется на некоторое расстояние вниз по потоку. То есть, перестроение профиля скорости к первоначальному происходит на некотором расстоянии от ребра. Это расстояние зависит от относительного шага закрутки ленты и числа Рейнольдса потока.

На рисунках 8,9 представлены зависимости относительного расстояния восстановления г/У (где / - расстояние релаксации профиля осевой скорости к первоначальному) профиля осевой скорости от числа Рейнольдса для трех относительных шагов закрутки ленты з/У=4; ,5/У=3 и я/с1= со и одиночного ребра, имеющего высоту й=0,5 и 1 мм соответственно. Можно сделать вывод, что с увеличением числа Яе увеличивается относительная длина восстановления для всех относительных шагов закрутки ленты. То есть при увеличении скорости потока, возмущения, созданные установленным ребром, распространяются дальше вниз по потоку. Начиная с некоторого значения числа

8/С1=4

в/с1=*

О 30000 60000 90000 120000 150000 130000 210000 240000

Ре

Рисунок 8. Зависимость относительной длины восстановления Ш профиля осевой скорости от числа Яе для трех относительных шагов закрутки ленты

я/с1=4; ,ч/<1=3 и ,9/У=оо при /?=0,5 мм Рейнольдса происходит перегиб графика и дальнейшее увеличение скорости потока начинает слабо влиять на относительную длину стабилизации. Число Рейнольдса, при котором

проявляется данный эффект слабо зависит от интенсивности закрутки и, возможно, определяется лишь геометрическими характеристиками ребра. Следует отметить, что данные расслаиваются для разных относительных шагов закрутки ленты я/с1, причем для ленты с бесконечным шагом закрутки относительная длина восстановления значительно больше, чем для скрученных лент с конечным шагом закрутки, то есть закрутка подавляет возмущающее влияние ребер. Чем меньше шаг закрутки ленты, тем на меньшее расстояние распространяется возмущение от установленного ребра. При увеличении высоты ребра возмущения распространяются дальше вниз по потоку

А А ▲ А 1

■ ■ ■

■ А з/а=4 -в/с!=3

О ЭОООО 60000 90000 120000 150000 180000 210000 240000 Не

Рисунок 9. Зависимость относительной длины восстановления М профиля осевой скорости от числа Яе для трех относительных шагов закрутки ленты ■5уУ=4; б/с!=3 и я/У=оо при А= 1 мм

(рисунок 9), так как ребра большей высоты генерируют более интенсивное возмущение в местах установки. Для большинства технических устройств диапазон относительных шагов установки ребер М находится в пределах от 3 до 11. Ребра, установленные с относительным шагом более 11-12, оказывают слабое влияние на теплообмен и гидродинамику потоков в трубах.

Было проведено численное моделирование течения и теплообмена при поверхностном кипении в трубе со вставкой в виде гладкой скрученной ленты 5/У=6 для изучения влияния закрутки на распределение объемных концентраций фаз. При малых значениях паросодержания, пар преимущественно концентрируется в угловых областях и в узкой пристенной области (рисунок 10, а).

в)

Рисунок 10. Истинное паросодержание в выходном сечении канала при: а - Т,т>=30, б - Тцео-25,

в - Ттд=20 "С (стрелка показывает направление скручивания ленты) При этом распределение пара в ссчснии практически равномерное относительно оси у. В ядре потока пар отсутствует, а существует и движется лишь в тонком пристенном слое, и максимум профиля его скорости смещен влево, в сторону, противоположную смещению максимума профиля осевой скорости жидкой фазы (рисунок 11, а). При уменьшении не-догрева на входе несконденсировавшийся пар проникает глубже в ядро потока, где преобладают эффекты закрутки, поэтому распределение фаз становится неравномерным (рисунки 10, б,в). В ядре потока пар также отсутствует, однако движется в более толстом слое (рисунки 11, б,в). Проведенные численные эксперименты указывают на то, что центробежные силы, порождаемые скрученной лентой, имеют большое значение в распределении фаз при течении двухфазной смеси пар-жидкость в условиях поверхностного кипения.

6)

а

Рисунок 11. Профили осевой скорости паровой (дисперсной фазы) в выходном сечении канала при: а - 7»с<)=30, б - Т„ед=25, в - Т„„>=20 °С Распределение фаз оказывает большое влияние на температуру стенки канала. В областях течения пароводяной смеси с большой концентрацией пара происходит увеличение температуры стенки. Концентрация паровой фазы в непосредственной близости от стенки создает предпосылки для образования сухих пятен и прогара теплообменной поверхности, особенно в условиях электрического нагрева при постоянном тепловом потоке, так как интенсивность теплообмена к пару значительно меньше, чем к жидкости.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления труб со вставками в виде оребренных скрученных лент при турбулентном режиме течения. Полученные данные по теплоотдаче были сравнены с результатами расчета по формуле Манглика-Берглеса (рисунок 12). Установка ребер на поверхность скрученной ленты приводит к интенсификации теплообмена. Чем меньше шаг установки и больше высота

, „ ^ ребер, тем выше интенсификация теп-

Рисунок 12. Теплоотдача труб со вставками в виде ' , ,

^ , ,, .. лообмена. Коэффициент теплоотдачи

оребренных скрученных лент (х/а=4): точки - экспе- гг

риментальные данные, линии - расчет по формуле возрастает максимум на 40% для лент с М.А. Михеева (гладкая труба) и Манглика-Берглеса ребрами высотой /г-1,5 мм и шагом (гладкая лента ь/с1=4) установки 1=40 мм по сравнению с

гладкой скрученной лентой того же относительного шага закрутки. Ленты с шагом установки ребер /=80 и 120 мм имеют одинаково низкий уровень интенсификации, не превышающий 9%. Скрученные ленты с ребрами высотой /¡=0,5 мм обеспечивают самый низкий уровень интенсификации, даже несмотря на малый шаг установки 40 мм. На основе обобщения результатов экспериментального исследования предложена следующая зависимость для расчета теплоотдачи труб со вставками в виде оребренных скрученных лент:

Ыи = 0.023Де°'8Рг0'4 +

0,769\

Т/Т)

Результаты экспериментального исследования гидросопртивле-ния труб со вставками в виде ореб-ренных скрученных лент представлены на рисунке 13. Ребра, дискретно установленные на поверхность скрученной ленты, существенно увеличивают гидравлическое сопротивление. Гидравлическое сопротивление увеличивается при уменьшении шага установки и увеличении высоты ребер. Гидравлическое сопротивление труб со вставками, имеющими ребра высотой 1,5 мм и шаг установки 40 мм, примерно в 2,6 раза выше соответствующих значений для гладких лент того же шага закрутки. Гидравлическое сопротивление труб с лентами, имеющими ребра высотой 0,5 мм примерно на 35-40% выше соответствующих значений для гладких лент того же шага закрутки. Для

Ие

Рисунок 13. Гидросопротивление труб с оребренными скрученными лентами: точки — экспериментальные данные, линии - расчет по формуле М.Х. Ибрагимова для гладких лент 1 - /=120 мм, И= 1 мм, «=45°; 2 -

$/<1=4, /=40 мм, /¡=1 мм, а=45°; 3 - ,?/У=4, /=40 мм, /г=0,5 мм, а=45°; 4 - х/с/=4, /=40 мм, й=1 мм, а=50°; 5 - Ш=4, /=80 мм, /г=1 мм, а=45°; 6 - з/У=4, /=40 мм, й=1,5 мм, а=45°; 7 - х<У=4, /=40 мм, А=1 мм, а=40°: 8 - ¿/И=3, /=40 мм,/¡=0,5 мм, а=45°; 9-$Л/=3, /=40 мм, А=1,5 мм, а=45°; 10 - лУ=2,5, /=40 мм, /г=0,5 мм, а=45°; 11 - $/¿=2,5, /=40 всех орсбренных скрученных лент мм, А=1,5 мм, а=45°; 12 - я/аМ; 13 - .ч/с1=3; 14 - 5/^=2,5; наблюдается изменение влияния

числа Рейнольдса на коэффициент гидросопротивления. Начиная с определенного значения числа Яе, экспериментальные точки отклоняются от тренда расчета по формуле Ибрагимова для гладких скрученных лент. Можно предположить, что реализуется переход к автомодельному режиму, характерному для течений в шероховатых каналах. Значение, при котором наступает переход обозначено как Кекр. Область малых значений Рейнольдса при Ие < /?екр называется областью преобладающего влияния закрутки, а область больших значений чисел Рейнольдса при йе > Кекр областью преобладающего влияния оребрения. Для определения йекр предложена следующая зависимость:

йекр = 6432 ■ (/1/сГ0-38. (9)

На основе обобщения результатов экспериментального исследования предложены следующие зависимости для расчета коэффициента гидравлического сопротивления труб со вставками в виде оребренных с крученных лент. В области преобладающего действия закрутки при Яе<Яекр'.

0,2341т 14,375

71 + 2 — (28/а)

тс - (45/сО

ь

71 I1

- (48/й)1

1 + 507

э

В области преобладающего действия оребрения при Ке>Яекр~.

0,0632.

14,375 1 Гтг + 2 - (2б/а)

О/сО3

тг - (45/й)

- (4,

(45/с()]

1 4- 584 -

(10)

(П)

s/d=2.5 h/t=0.0125 s/d=3, h/t=0.0125 s/d=4. hrt=0.0125 s/d=4 M=0 025 s/d=2.5 h/l=0 0375 s/d=3: hrt=0 0375 s/d=4. h/t=0 0375 s/d=4. h/i=0 0125 s/d=4. h/l=0.0083

Теплогидравлическая эффективность пассивного метода интенсификации скрученными лентами с установленными на их поверхности ребрами, при сохранении постоянной мощности на прокачку теплоносителя определяется как отношение коэффициента теплоотдачи интенсифицированного канала к теплоотдаче гладкой трубы. Для каждой ленты наблюдается монотонное уменьшение теплогидравлической эффективности с возрастанием числа Рей-

нольдса (рисунок 14). Теплогидравлическая эффективность достигает максимальных значений в переходной области течения, что способствует эффективному использованию оребренных скрученных лент при данном режиме течения. При увеличении высоты ребер или уменьшении шага их установки, то есть при увеличении параметра h/t наблюдается увеличение теплогидравлической эффективности, достигающей максимума при /г//=0,0375. Теплогидравлическая эффективность увеличивается при уменьшении относительного шага закрутки. Эффективными оребренными скрученными лентами являются ленты с параметрами в диапазоне A/M),025.. .0,0375; s/d=2,5...3; в диапазоне чисел Де=8000.. .60000.

О 30000 60000 90000 120000 150000 180000 210000

Ке

Рисунок 14. Теплогидравлическая эффективность труб со вставками в виде оребренных скрученных лент

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан экспериментальный стенд для исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов различной геометрии с электрическим нагревом, оснащенный современной измерительной и автоматизированной системой управления параметрами эксперимента, позволяющий проводить эксперименты при избыточном давление в канале доЮ атм.; массовом расходе теплоносителя до 6,5 кг/с; плотности теплового потока на участке д до 3 МВт/м2.

2. Изучено влияние ребер, установленных на поверхность скрученных лент, на теплообмен и гидродинамику потоков в трубах. Отмечены интенсификация теплообмена, а также рост гидравлического сопротивления при использовании оребренных скрученных лент. Выявлено, что уменьшение шага и увеличение высоты ребра приводят к возрастанию коэффициента теплоотдачи и гидросопротивления.

3. На основе экспериментального исследования получены обобщающие зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления труб со вставками в виде оребренных скрученных лент с относительным шагом закрутки $Л/=2,5...4; в диапазоне значений комплекса М=0,0083...0,0375, при угле установки ребер 45°, значений числа Прандтля Рг=2,2...6,2 и диапазоне чисел Рейнольдса /?<?=]0000...2-105при течении воды.

4. На основе экспериментального исследования изучена теплогидравлическая эффективность метода интенсификации скрученными лентами с оребрением. Теплогидравлическая эффективность увеличивается при уменьшении числа Рейнольдса и относитель-

ного шага закрутки. Теплогидравлическая эффективность достигает максимальных значений в переходной области течения. При увеличении высоты ребер или уменьшении

шага их установки, то есть при увеличении параметра h/t наблюдается увеличение тепло-гидравлической эффективности. Эффективными параметрами оребренных скрученных лент являются: /¡/,(=0,025...0,0375; s/d=2,5...3; в диапазоне чисел Ле=8000...60000.

5. Выполнено численное моделирование обтекания одиночного ребра в полях массовых сил. Максимальное возмущающее действие ребра сосредоточено в местах его непосредственного взаимодействия с потоком. С увеличением числа Рейнольдса увеличивается относительная длина восстановления профиля осевой скорости для всех относительных шагов закрутки ленты. Закрутка подавляет возмущающее влияние ребер. При увеличении высоты ребра, генерируемые им возмущения, распространяются дальше вниз по потоку.

6. Выработана методика численного моделирования теплообмена и гидродинамики потоков в трубах со вставками в виде скрученных лент. Получены результаты по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению каналов со скрученными лентами, в том числе изучено влияние центробежных сил, порождаемых скрученной лентой, на распределение фаз при течении двухфазной смеси пар-жидкость в условиях поверхностного кипения. Полученные результаты численного моделирования удовлетворительно согласуются с расчетными зависимостями других исследователей и с собственными экспериментальными данными.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Гмниятуллин А.А. Особенности тепломассобмена в трубах с различными закручивающими ленточными вставками / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, А. А. Гиниятуллин, А.В. Шишкин // Тепловые процессы в технике. - М., 2011. -№3. - С.133-139.

2. Гиниятуллин А.А. Экспериментальное и численное исследование тепломассообмена в трубах с оребренными скрученными вставками / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, А.А. Гиниятуллин // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2013. - № 2. - С. 13-18. Работы, опубликованные в других изданиях и материалах конференций:

3. Giniyalullin А.А. Hydrodynamics and heat transfer in tubes with smooth and ribbed twisted tape inserts / S.E. Tarasevich, A.B. Yakovlev, A.A. Giniyatullin, A.V. Shishkin // Journal of Enhanced Heat Transfer. - 2013.-20(6). - P.511-518.

4. Giniyatullin A.A. Heat Transfer in Circular Tubes With Regularly Spaced Full Length Twisted Tape Inserts Having Discrete Finned Surface / S.E. Tarasevich, A.B. Yakovlev, A.A. Giniyatullin // 2011 Baltic Heat Transfer Conference - 6th BHTC 2011. - Tampere, Finland, 2011. - P.59-60.

5. Giniyatullin A.A. Heat and mass transfer in tubes with various twisted tape inserts / S.E. Tarasevich, A.B. Yakovlev, A.A. Giniyatullin, A.V. Shishkin // Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, IMECE 2011, November 11-17, 2011. - Denver, Colorado, USA, 2011. - P.697-702.

6. Giniyatullin A.A. Verification and Validation of Heat Transfer and Friction Factor in Tubes with Various Twisted Tape Inserts at One Phase Flow / S.E. Tarasevich, A.B. Yakovlev, A.A. Giniyatullin // Proceedings of ASME 2012 Verification & Validation Symposium May 24, 2012. - Las Vegas, NV, USA, 2012. - P.l 1.

7. GiniyatuUin A.A. CFD Modelling of Subeooled Boiling in Tubes with Twisted Tape Insert/A.A. Giniyatullin, S.E. Tarasevich//Proceedings of ASME 2013 Fluids Engineering Summer Meeting FEDSM 2013, July 7-11, 2013. - Incline Village, Nevada, USA, 2013. - P.345-351.

8. Гиниятуллин A.A. Особенности тепломассообмена в каналах с оребренными скрученными лентами / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, A.A. Гиниятуллин, A.B. Шишкин // XIV Минский международный форум по тепломассообмену. - Минск, 2012. - С.294-296.

9. Гиниятуллин A.A. Теплоотдача в кольцевых каналах с закруткой потока / A.A. Гиниятуллин, С.Э. Тарасевич // XVII Туполевские чтения: труды конференции. - Казань,

2009. - Т. 1. - С.217-218.

10. Гиннятуллин A.A. Теплоотдача в кольцевых каналах с закруткой потока / A.A. Гиниятуллин, С.Э. Тарасевич // XVIII Туполевские чтения: труды конференции. - Казань,

2010. — Т.2. - С.61-63.

11. Гиниятуллин A.A. Теплоотдача в трубах с непрерывной по длине закруткой при ламинарном течении жидкости / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, A.A. Гиниятуллин // Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды. Веществ материалов и изделий». - Казань, 2011. — ч.2. — С. 109-110.

12. Гиниятуллин A.A. Теплоотдача в трубах со скрученными ленточными вставками при ламинарном течении жидкости / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, A.A. Гиниятуллин // Тезисы докладов международной научной школы. «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях». - М., 2011. - С43-44.

13. Гиниятуллин A.A. Особенности гидравлических характеристик потока в канале с оребренными скрученными лентами / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, A.A. Гиниятуллин, A.B. Шишкин // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»: материалы VI Международной научно-технической конференции, 2011. - Казань, 2011. -Т.2. - С.630-635.

14. Гиниятуллин A.A. Численное исследование гидродинамики в трубах с резьбовой шероховатостью / A.A. Гиниятуллин // XX Туполевские чтения: труды конференции. -Казань, 2012. - Т. 1. - С.250-254.

15. Гиниятуллин A.A. Особенности тепломассообмена в каналах с оребренными скрученными лентами / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, A.A. Гиниятуллин, A.B. Шишкин // VIII Школа-Семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. Россия, Казань 16-18 октября 2012 г. - Казань, 2012. - С.70-73.

16. Гиниятуллин A.A. Экспериментальный стенд для исследования теплогидравличе-ских характеристик теплообменных аппаратов различных типов / A.A. Гиниятуллин, С.Э. Тарасевич // XXI Туполевские чтения: труды конференции. - Казань, 2013. - Т. 1. - С.252-253.

17. Гиниятуллин A.A. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление труб с оребренными скрученными ленточными вставками / С.Э. Тарасевич, А.Б. Яковлев, A.A. Гиниятуллин// VI Российская национальная конференция по теплообмену «РНКТ-6» 26-31 октября 2014 г., Москва, Россия. - М„ 2014. - Т.З. - С. 103-104.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. псч. л. 0,93. Тираж 100. Заказ Д67

Издательство КНИТУ-КАИ 420111, Казань, К. Маркса, 10