Теплообмін та аеродинаміка пучків труб із розрізним оребренням

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦIОНАЛЬНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛIТЕХНIЧНИЙ IНСТИТУТ"

УДК 536.25

ТЕПЛООБМІН ТА АЕРОДИНАМІКА ПУЧКІВ ТРУБ З РОЗРІЗНИМ ОРЕБРЕННЯМ

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

ШАПОВАЛ Ольга Євгенівна

Київ-2002



Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана на кафедрі атомних електростанцій та інженерної теплофізики Нацiонального технiчного унiверситету Украни "Київський полiтехнiчний iнститут" (НТУУ "КПІ") Міністерства освіти та науки України.

Науковий керiвник: доктор технiчних наук, професор Письменний Євген Миколайович, НТУУ "КПІ", декан теплоенергетичного факультету, завідувач кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики

Офiцiйнi опоненти: доктор технiчних наук, професор Епік Елеонора Яківна, Інститут технічної теплофізики НАН України, головний науковий співробітник

доктор технiчних наук, професор Малкін Едуард Семенович, Київський національний університет будівництва та архітектури, професор кафедри теплотехніки

Провiдна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра теплотехніки

Захист дисертацiї вiдбудеться 14 жовтня 2002р. о 15 годині на засiданнi спецiалiзовано вченої ради Д 26.002.09 при Нацiональному технiчному унiверситетi України "Київський полiтехнiчний iнститут" за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Нацiонального технiчного унiверситету України "Київський полiтехнiчний iнститут" за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розiсланий 9 вересня 2002 р.

Вчений секретар

спецiалiзованої вченої ради

кандидат технiчних наук, доцент Коньшин В.І.



АНОТАЦІЯ

Шаповал О.Є. Теплообмін та аеродинаміка пучків труб із розрізним оребренням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова енергетика. - Національний технічний університет України “КПІ”, Міністерство освіти та науки України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню теплоаеродинамічних характеристик поперечно-омиваних коридорних пучків труб із розрізним оребренням, шахових пучків труб із розрізним оребренням і поворотом пелюстків, шахових пучків труб із розрізним паралельно- і конфузорно-підігнутим оребренням, а також порівняльній оцінці теплоаеродинамічної ефективності досліджуваних ребристих поверхонь. Методом поверхневої візуалізації отримана і проаналізована картина течії на поверхні розрізного ребра. Встановлено, що розрізання ребра призводить до значної турбулізації потоку внаслідок періодичної руйнації і відновлення прикордонного шару. Істотного впливу на теплофізичні процеси завдає глибина розрізання ребра. Отримано узагальнюючі залежності для розрахунку середньоповерхневого теплообміну й аеродинамічного опору зазначених компонувань труб.

Ключові слова: середньоповерхневий теплообмін, аеродинамічний опір, розрізне ребро, інтенсифікація, теплоаеродинамічна еффективність.



THE SUMMARY

Shapoval O.E. Heat transfer and aerodynamics of tube banks with cut fins. - The manuscript.

The thesis for a degree of candidate of engineering science with the speciality 05.14.06 -Technical thermal physics and industrial power engineering. - National Technical University of Ukraine ”Kyiv polytechnic institute”, Ministry of education and science of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis dedicates to research of heat and aerodynamic characteristics of cross-washed in-line tube banks with cut fins, staggered tube banks with cut fins and a turn of tabs, staggered tube banks with cut fins with cut parallel bent and confusor bent fins, as well as comparative estimation of heat and aerodynamic efficiency of investigated fin surfaces. The situation of current is obtained and analyzed with the method of surface visualization. It is ascertained that cutting of fin leads to significant turbulization of flow due to periodical destruction and renovation of boundary layer. Depth of fin cutting influences essentially on thermal physic processes. Encompassing functions are obtained for calculation of average-surface heat transfer and aerodynamic resistance of tube configurations referred above.

Keywords : average-surface heat transfer, aerodynamic resistance, cut fin, intensification, heat and aerodynamic efficiency



АННОТАЦИЯ

Шаповал О. Е. Теплообмен и аэродинамика пучков труб с разрезным оребрением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная энергетика.- Национальный технический университет Украины "КПИ", Министерство образования и науки Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена изучению теплоаэродинамических характеристик поперечно-омываемых коридорных пучков труб с разрезным оребрением, шахматных пучков труб с разрезным оребрением и поворотом лепестков, шахматных пучков труб с разрезным параллельно- и конфузорно-подогнутым оребрением, а также сравнительной оценке теплоаэродинамической эффективности исследованных ребристых поверхностей. теплоаеродинамічний труба шаховий поперечний

Методом полного теплового моделирования выполнено исследование среднеповерхностного теплообмена коридорных пучков труб с разрезным оребрением в интервале геометрических характеристик = 4,6 9,3; ₁ = 1,8 3,6; ₂ = 1,84,96 при значениях числа Рейнольдса Re = (3 50)10³. Получены обобщающие зависимости для теплового расчета, как функции коэффициента оребрения и относительного продольного шага труб. Установлено, что истинная эффективность разрезного ребра не зависит от компоновки труб в пучке и возрастает сравнению с обычным спирально-ленточным оребрением на 14%. Анализ влияния на теплообмен шаговой характеристики пучков оребренных труб ₂ показал, что зависимость числа Нуссельта от этой величины при = соnst и Re = const носит экстремальный характер то есть для каждого значения коэффициента оререния существует размещение дающее максимальное значение коэффициента теплоотдачи. Интенсивность среднеповерхностной теплоотдачи коридорных пучков труб с разрезным оребрением существенно зависит от параметров оребрения. С увеличением величины интенсивность теплообмена снижается на 16 61, однако, скорость этого снижения различна при варьировании параметра ₂, что объясняется влиянием глубины разрезки ребра. Выполнено исследование аэродинамического сопротивления в указанных интервалах геометрических и режимных параметров коридорных пучков труб с разрезным оребрением. Результаты обобщены расчетными зависимостями, которые являются функциями числа Рейнольдса Re_э, приведенной длины H/F и параметра размещения S₁/S₂. Методом поверхностной индикации потока получена и проанализирована картина течения на поверхности разрезного ребра. Анализ теплофизических процессов, имеющих место в данном случае, дает возможность заключить, что разрезка ребра приводит к значительной турбулизации потока вследствие периодического разрушения и обновления пограничного слоя. В результате наблюдается значительное снижение термического сопротивления, а также сокращение кормовой зоны, характеризуемой наименьшим уровнем теплоотдачи. Существенное влияние на теплофизические процессы оказывает глубина разрезки ребра. Установлено, что существует такая величина глубины разрезки ребра при которой коэффициенты оребрения труб с разрезным и обычным спирально-ленточным оребрением одинаковы. Увеличение конвективного коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании коридорных пучков труб с разрезным оребрением составляет 10 30% при росте аэродинамического сопротивления на 15 45%.

Выполнено исследование среднеповерхностного теплообмена и аэродинамического сопротивления шахматных пучков труб с разрезным оребрением и поворотом лепестков в интервале геометрических характеристик = 5,1 7.8; ₁ = 2,2 3,9; ₂ = 1,62,7 при значениях числа Рейнольдса Re = (4 50)10³. Получены обобщающие зависимости для расчета теплоаэродинамических характеристик указанных пучков. Постоянное значение в рамках каждой серии труб показателя степени m при числе Рейнольдса Re в формуле теплового расчета для исследованного диапазона шаговых характеристик свидетельствует о доминирующем влиянии на уровень возмущенности потока его срыва с развернутых лепестков. Интенсификация теплообмена достигает 40% по сравнению с обычным спирально-ленточным оребрением при росте аэродинамического сопротивления на 15 50%.

Выполнено исследование теплоаэродинамических характеристик шахматных пучков труб с разрезным параллельно- и конфузорно-подогнутым оребрением в области числа Рейнольдса Re = (3 50)10³ , имеющих следующие геометрические характеристики: = 7,84 (параллельная подгибка), = 9.31 (конфузорная подгибка); ₁ = 2,2 3,9; ₂ = 1,62,7. Процесс обтекания поверхности сложной конфигурации, полученной в результате разрезки и подгибки ребра, дает величину теплоотдачи того же порядка, что и для обычного разрезного оребрения. Значительное сокращение поперечного шага труб, а следовательно и габаритов пучка в целом, в совокупности с отмеченным выше фактом дает возможность сократить массогабаритные характеристики теплообменного аппарата без потери тепловой эффективности.

Для однозначного решения вопроса о выгодности использования в качестве поверхностей нагрева того или иного вида оребрения и типа компоновки пучков труб, выполнены расчеты теплоаэродинамической эффективности исследованных поверхностей нагрева по методике, состоящей в определении и последующем сравнении приведенных коэффициентов теплоотдачи базового и интенсифицированного пучков при одинаковых затратах мощности на прокачку теплоносителя. Установлено, что наиболее эффективным является шахматный пучок труб с разрезным оребрением и поворотом лепестков. Чистый выигрыш по наружному теплообмену составляет до 45% по сравнению с шахматным пучком труб с обычным спирально-ленточным оребрением. Снижение массы пучка при этом составило 33%, снижение объема - 27%.

Ключевые слова: среднеповерхностный теплообмен, аэродинамическое сопротивление, разрезное ребро, интенсификация, теплоаэродинамическая эффективность.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливою задачею енергомашинобудування сьогодні є зменшення габаритів і металоємності апаратів енергетичного устаткування АЕС і ТЕС. У зв'язку з цим широке застосування пучків поперечно-оребрених труб у якості елементів такого устаткування виводить проблему інтенсифікації теплообміну в них у ряд найбільш актуальних. Значно інтенсифікувати теплообмін дозволяє використання розрізного оребрення. Раніше основна увага (праці С. Веєрмана, Є.М. Письменного, О.М. Тереха) приділялася дослідженням шахових пучків труб із таким видом оребрення. Проте становлять інтерес дані і для коридорних пучків, що володіють рядом переваг у порівнянні із шаховими, такими, наприклад, як менша забруднюваність поверхні ребристої труби, менший аеродинамічний опір. Важливе значення має розробка фізично обгрунтованої узагальненої методики теплового й аеродинамічного розрахунків коридорних пучків труб із розрізним оребренням.

У зв'язку з підвищенням вартості металу при великих обсягах виробництва теплообмінного устаткування необхідно удосконалювати оребрені поверхні таким чином, щоб підвищення їх теп-лової ефективності не супроводжувалося істотним ускладненням і подорожчанням технології їх виготовлення. Тому великий інтерес представляють дослідження таких нових видів оребрення, як розрізне з поворотом пелюстків, а також розрізне паралельно- і конфузорно-підігнуте ореберення.

Усе вищевикладене свідчить про актуальність запропонованої роботи, як для теорії конвективного теплообміну, так і для інженерної практики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи обумовлена фундаментальними і прикладними дослідженнями, що тривалий час здійснюються на кафедрі АЕС і ІТФ НТУУ “КПІ” в галузі розробки інтенсифікованих теплообмінних поверхонь і безпосередньо пов'язана з НДР “Дослідження високоефективних теплообмінних поверхонь для енергетичних установок” (ДР №0198U000418), що виконувалася по тематичному плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти й науки України. Основні теоретичні і практичні результати отримані під час виконання відзначеної НДР.

Метою даної роботи є підвищення теплоаеродинамічної ефективності і зниження масогабаритних характеристик розвинених теплообмінних поверхонь шляхом використання розрізного спірально-стрічкового оребрення.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1) дослідження середньоповерхневого конвективного теплообміну коридорних пучків труб із розрізним оребренням

2) дослідження аеродинамічного опору коридорних пучків труб із розрізним оребренням;

3) визначення впливу геометричних і режимних параметрів на теплові й аеродинамічні характеристики коридорних пучків труб із розрізним оребренням при поперечному обтіканні їх газовим потоком;

4) отримання узагальнюючих залежностей для розрахунку конвективних коефіцієнтів тепловіддачі, аеродинамічного опору коридорних пучків труб із розрізним оребренням, а також істинної єффективності розрізного ребра при коридорому компонуванні труб

5) дослідження особливостей та розробка моделі течії на поверхні розрізного ребра;

6) розробка методів інтенсифікації теплообміну в пучках труб із розрізним оребренням шляхом дослідження теплоаеродинамічних характеристик таких розвинених поверхонь:

- шахових пучків труб із розрізним оребренням і поворотом пелюстків;

- шахових пучків труб із розрізним паралельно-підігнутим оребренням;

- шахових пучків труб із розрізним конфузорно-підігнутим оребренням;

7) Порівняльна оцінка теплоаеродинамічної ефективності досліджених інтенсифікованих поверхонь.

Методи дослідження. Експериментальні дослідження теплообміну й аеродинаміки пучків поперечно-оребрених труб виконувалися на аеродинамічній трубі розімкнутого типу. Дослідження середньоповерхневого теплообміну виконувалися методом повного теплового моделювання, реалізація якого здійснювалася шляхом електричного обігріву усіх труб пучка. Інтенсивність середньоповерхневої тепловіддачі визначалася за результатами вимірів температурних полів ребра і стінки несучої труби. Дослідження аеродинаміки виконувалися на основі визначення різниці статичних тисків на вході і виході робочої ділянки, а також методом поверхневої індикації потоку. Обробка й узагальнення отриманих результатів здійснювалося методом найменших квадратів із використанням ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі виконані дослідження середньоповерхневого теплообміну й аеродинамічного опору мало вивчених коридорних пучків труб із розрізним оребренням у широкому діапазоні режимних і геометричних характеристик. Вперше отримана і проаналізована картина течії на поверхні розрізного ребра. Отримано узагальнюючі залежності для розрахунку конвективних коефіцієнтів тепловіддачі й аеродинамічного опору таких поверхонь.

Досліджено теплообмін і аеродинаміку раніше не вивчених шахових пучків труб із розрізним оребренням і поворотом пелюстків. Вперше розроблені залежності для їх теплового й аеродинамічного розрахунків при поперечному обтіканні повітряним потоком.

Виконано дослідження середньоповерхневого теплообміну й аеродинамічного опору нових розвинених теплообмінних поверхонь, як-от, шахових пучків труб із розрізним паралельно- і конфузорно-підігнутим оребренням.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані узагальнюючі залежності для розрахунку теплоаеродинамічних характеристик дозволять проектувати теплообмінні апарати на основі не тільки шахових, а і коридорних пучків труб із розрізним оребренням. Подані в роботі експериментальні дані, а також методики теплового й аеродинамічного розрахунків досліджуваних розвинених поверхонь дозволяють достовірно оцінити їх теплоаеродинамічну ефективність і можуть бути використані при проектуванні і промисловому впровадженні нових високоефективних теплообмінних пристроїв.

Результати роботи використані на ЗАТ “Українські теплогенератори” в системах теплоутилізації газових викидів промислових агрегатів, на УкрНДІпластмаш в конструкції теплообмінної апаратури для підігрівачів термального масла теплової станції екструдера та в котлах-утилізаторах, що проектуються ВАТ “ИК ЗИОМАР” та виготовляються ВАТ “Машинобудівельний завод “ЗиО-Подольск”, що підтверджено актами про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, які наведені в дисертаційній роботі, отримані особисто автором, або при його безпосередній участі.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичних семінарах професорсько-викладацького складу НТУУ “КПІ”, на першій і другій Міжнародних конференціях “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 1999, 2001 р.), а також на студентській науково-технічній конференції НТУУ “КПІ”, ТЕФ (м. Київ, 2001 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковані чотири наукові статті в спеціалізованих фахових виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку літератури з 135 найменувань і п'ятьох додатків. Основний зміст роботи викладен на 146 сторінках, включаючи 53 рисунки і 15 таблиць.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі для її досягнення.

У першому розділі виконаний огляд наявних у літературі даних по дослідженню теплообміну й аеродинаміки різноманітних видів оребрення і його ефективності.

Огляд показав наявність у літературі великої кількості інформації про різноманітні методи інтенсифікації теплообміну і підвищення теплоаеродинамічних характеристик оребрених поверхонь. Цими методами є:

використання нетрадиційного компонування пучків ребристих труб (хрестоподібні шахові і коридорні, змішані коридорні-шахові, зигзагоподібні, ромбічні, компонування з нахилом ребристих труб щодо набігаючого потоку);

застосування різноманітних типів оребрених профильованих поверхонь (эліптичні, каплеподібні і плоскоовальні з прямокутним, стрічковим і неповним оребренням);

застосування нових видів оребрення (розрізне типу “інтеграл”, оребрення з насічками на крайках ребер, гофроване, перфороване, петельне-дротове, сегментне, пелюсткове, оребрення з високопористого проникного ячеїстого матеріалу (ВПЯМ), эліптичне, оребрення з вирізом частини поверхні, паралельно- і конфузорно-підігнуте оребрення).

Проте поряд із перевагою (підвищення інтенсивності тепловіддачі) більшість із поданих розробок мають суттєві недоліки. Найбільш поширеними з них є значне ускладнення технології виготовлення (гофроване, перфороване, розрізне типу “інтеграл”, ексцентричне, профільоване оребрення), домінуючие зростання аеродинамічного опору над зростанням теплообміну (гофрована, перфорована, розрізна типу “інтеграл” поверхні), компенсація зниження металоємності істотним зниженням теплоз'єму (труби з обрізаним у кормовій частині оребренням) або зниження аеродинамічного опору збільшенням габаритів теплообмінного устаткування (ромбічні пучки), значне ускладнення конструкції теплообмінного апарата (нетрадиційне компонування оребрених труб), а також суперечливість наведених даних (оребрення з ВПЯМ, ексцентричне компонування, прямокутне ребро з дельтоподібними крильцями). При цьому очевидна доцільність використання таких поверхонь, які б мали мінімальне число недоліків. Іншими словами, застосування цих поверхонь повинно супроводжуватися мінімальними ускладненнями технології їх виготовлення і максимальним збільшенням теплоаеродинамічної ефективності, що призведе до зниження металоємності і габаритів теплообмінного пристрою.

Виконаний літературний огляд дозволяє зробити висновки, що найбільш перспективними на сьогоднішній день є поверхні з розрізним (сегментним) оребренням, а також паралельно- і конфузорно-підігнуті оребрені трубні поверхні.

Завершує розділ постановка основних завдань дисертаційної роботи, що випливають із наведеного аналізу стану проблеми на сьогоднішній день.

В другому розділі описана конструкція експериментальної установки і методика виконуваних досліджень.

Дослідження середньоповерхневого теплообміну й аеродинамічного опору в пучках оребрених труб при поперечному їх обтіканні газовим потоком здійснювалися на аеродинамічній трубі розімкнутого типу прямокутного перетину. Вивчалися коридорні пучки труб із розрізним оребренням, шахові пучки з розрізним оребренням і поворотом пелюстків, а також шахові пучки з розрізним паралельно- і конфузорно-підігнутим оребренням (рис. 1). У експериментах використовувалися натурні зразки сталевих труб, виготовлені на АТ Подільський машинобудівний завод Геометричні характеристики ребристих труб подані в таблиці 1. Труби обраних типорозмірів широко застосовуються в конструкціях різноманітних теплообмінних апаратів, у тому числі в конструкціях енергетичних агрегатів.

В дослідженнях використані такі варіанти розміщення труб у пучках, які дозволили змінювати відносний поперечний крок у межах ₁ = S₁/d = 1.826 4.171, а відносний подовжній крок - у межах ₂ = S₂/d = 1.7 4.957. Усього експериментами по вивченню середньоповерхневого теплообміну охоплено 45 пучків оребрених труб, а по вивченню аеродинамічного опору - 48 пучків.

Дослідження середньоповерхневої тепловіддачі зводилося до встановлення залежностей чисел Нуссельта Nu, розрахованим по середньоповерхневих конвективних коефіцієнтах тепловіддачі, від чисел Рейнольдса Re. Експерименти здійснювалися в умовах повного теплового

моделювання при стаціонарних режимах, що досягалося шляхом електрообігрівання всіх труб пучка Середньоповерхневий конвективний коефіцієнт тепловіддачі визначався безпосередньо за результатами виміру температурного поля ребра і стінки несучої труби-калориметра. За визначальний розмір у числах Нуссельта і Рейнольдса приймався діаметр несучої труби d. Фізичні константи, що входять у вирази для чисел подоби Nu і Re, відносилися до середньобалансової температури повітря Т_п у ряду, де розміщався калориметр.

Аеродинамічний опір пучків оребрених труб досліджувалося в умовах ізотермічної течії при температурі повітря Т_В = 290 300К. Втрати тиску визначалися по різниці статичних тисків до і після пучка з урахуванням утрат на тертя в проточній частині стенда і місцевих опорів звуження і розширення каналу. За значеннями перепаду тиску Р визначалися числа Ейлера для всього пучка в цілому Eu і віднесеного до одного поперечного ряду Eu₀. Результати експериментів описувалися залежностями виду lgEu₀ = f(lgRe_е), де числа Рейнольдса розраховувалися по еквівалентному діаметру поперечного (або діагонального) прохідного перетину пучка d_е. У цьому ж перетині визначалися значення швидкості потоку, що входять у вирази для Еu і Re_е.

Застосована методика проведення експериментів і вимірювальної апаратури дозволили визначити числа Re із відносною похибкою, що не перевищує 5.4%. Похибка визначення числа Nu не перевищує 7.8%, а числа Eu - 15%.

Третій розділ роботи присвячений результатам дослідження середньоповерхневого теплообміну й аеродинамічного опору коридорних пучків труб із розрізним спірально-стрічковим оребренням. Експерименти по вивченню середньоповерхневого теплообміну виконувалися в області зміни числа Рейнольдса Re = 510³ 610⁴. Дослідні дані узагальнювалися крітеріальною ступіневою залежністю виду

. (1)

Аналіз отриманих результатів показав, що використання розрізних ребер у коридорних пучках труб призводить до зростання середньоповерхневої тепловіддачі стосовно пучків із звичайним спірально-стрічковим оребренням на 10 30. Параметром найбільш повно враховуючим вплив геометрії оребрених труб на теплообмін є коефіцієнт оребрення У якості узагальнюючого параметра розміщення обрано відносний подовжній крок труб ₂, тому що відомо, що інтенсивність теплообміну коридорних пучків практично не залежить від значення відносного поперечного кроку ₁, що підтверджується отриманими в даній роботі даними по теплообміну пучків труб з однаковими подовжніми й істотно різноманітними поперечними кроками.

Аналіз експериментальних даних виявив зміну показника ступеня m при числі Рейнольдса в рівнянні (1) як у межах окремої серії пучків ( = const) так і для пучків з однаковими відносними кроками труб різних серій. Встановлено, що залежність



m = f(₂)

при = const для коридорних пучків труб із розрізним оребренням виражається функцією гіперболічного тангенса. Збільшення коефіцієнта оребрення за інших рівних умов супроводжується зростанням показника ступеня m, значення якого в охоплених вимірами діапазонах геометричних і режимних характеристик змінюється в межах m = 065 0855 Залежність для розрахунку значень параметра m має вигляд

Аналогічний аналіз дослідних значень коефіцієнтів C_q поданих у залежності від ₂ на рис 2, б показав, що вони також апроксимуються на основі функції гіперболічного тангенса, але з протилежним знаком. Співвідношення для розрахунку коефіцієнта C_q отримано у вигляді

. (3)

Оцінка точності узагальнюючих формул (1) - (3), яка виконана зіставленням дослідних і розрахункових значень чисел Нуссельта, показала, що дана розрахункова схема забезпечує розбіжність із дослідними даними не більш, ніж на 15% для 96% масиву досліджуваних пучків.

Для розширення області застосування запропонованих співвідношень на інші види газових теплоносіїв, а також на малорядні пучки труб, необхідно ввести у формулу (1) число Прандтля і поправку на малорядність пучка C_z

, (4)

де величина C_z, як показали дослідження впливу на теплообмін числа поперечних рядів труб у пучку z₂, визначається по залежності для коридорних пучків труб із звичайним спірально-стрічковим оребренням.

У роботі встановлено, що дійсна ефективність розрізного ребра не залежить від компонування труб у пучку. Приріст ефективності розрізного ребра в порівнянні зі звичайним спірально-стрічковим досягає 14%.

Аналіз впливу на теплообмін крокової характеристики пучків ₂ показав наступне. Залежності

Nu = f(₂)

при = соnst і Re = const для досліджуваних коридорних компонувань носять екстремальний характер тобто для кожного значення коефіцієнта оребрення існує розміщення, що дає максимальне значення коефіцієнта тепловіддачі. При цьому спостерігається складна картина розташування експериментальних кривих для різноманітних значень величин , причиною чого є помітний вплив на теплофізичні процеси глибини розрізання ребра (висоти пелюстків h_л).

Інтенсивність середньоповерхневої тепловіддачі істотно залежить від параметрів оребрення. Зі збільшенням величини інтенсивність теплообміну знижується, проте, швидкість цього зниження різноманітна при варіюванні параметра ₂. Отриманий результат пояснюється впливом глибини розрізання ребра. У роботі виконано аналітичне дослідження впливу цього параметра на величину коефіцієнта оребрення Встановлено що існують значення параметра h_л при яких коефіцієнт оребрення розрізного ребра не буде менше ніж для спірально-стрічкового. Цей факт пояснюється тим що величина бічної поверхні пелюстка у випадку рівності коефіцієнтів оребрення двох типів ребер буде дорівнювати поверхні вирізаних секторів Таким чином, розрізання ребра на величину, перевищуючу половину його висоти, при постійній кількості пелюстків не спричиняє втрату поверхні, що віддає тепло.

Аеродинамічний опір коридорних пучків труб із розрізним оребренням досліджувався в діапазоні чисел Рейнольдса Re_е 410³ 510⁴. Отримані дослідні дані узагальнювалися ступіневими залежностями вигляду

. (5)

Аналіз результатів експериментів показав що застосування розрізного оребрення в усіх випадках призводить до зростання аеродинамічного опору в порівнянні зі звичайним спірально-стрічковим оребренням на 15 45 У охоплених вимірами межах чисел Рейнольдса показник ступеня n у формулі (5) приймає значення n = 0025 025. У якості основного параметра враховуючого геометрію оребрених труб обрана приведена довжина розвиненої поверхні HF, яка визначається як відношення повної омиваної поверхні одного поперечного ряду труб Н до мінімального поперечного прохідного перетину F. У якості параметра враховуючого геометрію розміщення труб у пучку використано параметр S₁S₂

З метою фізичного обгрунтування зроблених висновків про причини інтенсифікації тепловіддачі і зростання аеродинамічного опору пучків труб із розрізним оребренням, а також для одержання більш глибокого уявлення про процеси, що мають місце при поперечному обтіканні розрізного ребра, у роботі виконані експерименти по візуалізації течії на такій поверхні. Аналіз отриманих результатів дозволив схематизувати картину омивання розрізного ребра і виділити на його поверхні 8 характерних областей: 1 - область відриву і приєднання основного потоку

за вхідними крайками передніх пелюстків; 2 - область обтікання ребра основним турбулізованим потоком; 3 - область інтенсивних вторинних циркуляційних течій; 4 - область інтенсивних вихрових структур, що утворилися при взаємодії прискореного в міжпелюсткових просторах потоку з крайкою ребра у кореня пелюстка; 5 - зони тривимірних обурень (вихрових джгутів), викликаних взаємодією зсувових шарів, що відірвалися від несучої труби, із циркуляційними течіями області 3; 6 - область великомасштабних вихорів; 7 - область слабкої рециркуляційної течії; 8 - область вторинних циркуляційних течій, аналогічних по природі вторинним течіям області 3.

Порівняльні дослідження течії на поверхні розрізного ребра показали, що до причин більш високої інтенсивності тепловіддачі пучків труб із розрізним оребренням у порівнянні з тепловіддачею аналогічних за геометричними характеристиками пучків труб із спірально-стрічковим оребренням можна віднести наступні:

менша товщина прикордонного шару на ребрі, пов'язана з розмірами пелюстків і інтенсивною його руйнацією при зриві потоку з гострих крайок;

більш високий ступінь турбулізації потоку, що омиває розрізне ребро, викликана взаємодією основного потоку з більш розвиненою гострою крайкою;

наявність додаткових інтенсивних вихрових структур у передній частини ребра, пов'язаних із взаємодією прискореного в межпелюсткових каналах потоку з крайкою ребра біля кореня пелюстків;

менші розміри кормової вихрової зони, що відрізняється низкою інтенсивністю тепловіддачі;

велика довжина вихрових джгутів у межах ребра, що інтенсивно взаємодіють із його поверхнею.

Четвертий розділ роботи присвячений дослідженням нових розвинених конвективних поверхонь нагрівання, як-от розрізного оребрення з поворотом пелюстків, а також розрізного паралельно- і конфузорно-підігнутого оребрення.

Дослідження середньоповерхневого теплообміну глибинних рядів шахових пучків труб із поперечним розрізним оребренням із поворотом пелюстків виконані в інтервалі чисел Рейнольдса Re = 510³ 510⁴ у діапазоні зміни параметра розміщення S₁S₂ = 0.8 2.5. Дослідні дані апроксимуються ступіневою залежністю виду (1). Аналіз отриманих результатів показав що ефект інтенсифікації має місце у всіх розглянутих випадках і досягає 40% у порівнянні зі звичайним спірально-стрічковим оребренням і 16% у порівнянні з розрізним оребренням.

Становить інтерес аналіз значень показника ступеня m при числі Рейнольдса у формулі (1) Його значення залишається практично постійним для кожної серії труб в усьому досліджуваному діапазоні крокових характеристик пучків що свідчить про домінуючий вплив на рівень обуреності потоку його зриву з розгорнутих пелюстків Таким чином, величина m для даного виду оребрення є функцією лише параметрів оребрення (m = f()) і виражається наступною розрахунковою формулою

.

Залежність перемінної C_q у формулі (1) від параметра розміщення S₁S₂ має наступний вигляд

Підсумкова похибка розрахункової схеми склала 16 для всього масиву дослідних даних

Дослідження аеродинамічного опору шахових пучків труб із розрізним оребренням і поворотом пелюстків виконувалися для чисел Рейнольдса Re_е = 410³ 510⁴. Дослідні дані узагальнювалися залежністю (5). Аналіз результатів виявив зростання аеродинамічного опору в порівнянні зі звичайним спірально-стрічковим оребренням для усіх досліджуваних варіантів крокових характеристик на 15 50

Дослідження середньоповерхневого теплообміну й аеродинамічного опору шахових пучків труб із розрізним підігнутим оребренням дало наступні результати. Процес обтікання складної інтенсифікованої поверхні, що утворена шляхом паралельної або конфузорної підгинки розрізного ребра, не спричинив за собою відчутного підвищення рівня тепловіддачі і не призвів до збільшення затрат енергії, що витрачається на прокачування теплоносія. В результаті величини чисел Нуссельта Nu і Ейлера Eu залишилася практично на тому ж рівні, що і при обтіканні звичайного розрізного ребра. Крім того, використання труб із таким типом оребрення потребує додаткових матеріальних затрат на виконання операції підгинки ребра. Проте, перевагою такого типу розвиненої поверхні, особливо з паралельною підгинкою, є те, що її використання дає можливість зменшити поперечний крок труб, а отже і загальні габарити теплообмінного устаткування. Таким чином, застосування інтенсифікованих поверхонь із розрізним підігнутим оребренням дозволяє одержати теплоаеродинамічні характеристики на тому ж рівні, що і для труб із звичайним розрізним оребренням, значно скоротивши при цьому габарити теплообмінного апарата. Це дає можливість знизити його металоємність, а значить і вартість, що свідчить про доцільність і перспективність використання таких теплообмінних поверхонь. Для розрахунку теплоаеродинамічних характеристик шахових пучків труб із розрізним паралельно- і конфузорно-підігнутим оребренням варто застосовувати ті ж залежності, що і для звичайного розрізного оребрення.

У п'ятому розділі виконано огляд методів порівняння конвективних поверхонь нагрівання, приведені результати зіставлення досліджених у роботі розвинених поверхонь нагрівання по теплоаеродинамічній ефективності.

Для однозначного вирішення питання, що стосується вигідності використання в якості поверхонь нагрівання того або іншого типу конвективних пучків оребрених труб, виконані комплексні розрахунки по теплоаеродинамічній ефективності досліджених поверхонь нагрівання. Перевага віддається найбільш простій і наочній методиці, що складається у визначенні і наступному порівнянні приведених коефіцієнтів тепловіддачі _пр базового й інтенсифікованого пучків при однакових затратах потужності на прокачування теплоносія через запропоновані поверхні нагрівання. Порівняльні розрахунки виконувалися для конвективного випарного пакета казана парогазової установки П-90 Північно-Західної ТЕЦ м. Санкт-Петербург. Найбільш ефективним з розглянутих пакетів (рис. 6) є шаховий пучок труб із розрізним оребренням із поворотом пелюстків. Чистий виграш по зовнішньому теплообміну у випадку використання такого пучка з відносними кроками ₁ = 4.22, ₂ = 1.88 замість аналогічного шахового зі звичайним спірально-стрічковим оребренням складає до 45% і до 12% у порівнянні із шаховим пучком труб із звичайним розрізним оребренням.

По отриманих результатах теплоаеродинамічних розрахунків виконана оцінка зниження масогабаритних характеристик порівнюваних пакетів труб, яка показала, що зниження маси випарного пакета при використанні шахових пучків труб із розрізним оребренням і поворотом пелюстків замість базових із звичайним спірально-стрічковим оребренням і тими ж геометричними характеристиками склало 33%, зниження об'єму - до 27%.

У додатках приведені акти про впровадження дисертаційної роботи, експериментальні дані і розрахунок похибки вимірів.



ВИСНОВКИ

У дисертації запропоновано нове вирішення наукової проблеми, що полягає в інтенсифікації теплообміну при поперечному омиванні розвинених поверхонь. Проблема стосується пошуку раціональних видів оребрення і створення методики теплового й аеродинамічного розрахунків запропонованих розвинених поверхонь, застосування яких дозволить збільшити тепловий потік при найменшому зростанні затрат потужності на прокачування теплоносія. Використання пучків труб із запропонованими видами оребрення в якості елементів енергетичного устаткування дозволить зменшити їх габарити та металоємність.

За результатами виконаної роботи можна сформулювати наступні висновки.

Методом повного теплового моделювання виконано дослідження середньоповерхневого теплообміну коридорних пучків труб із розрізним оребренням у широкому інтервалі значень геометричних і режимних параметрів ( = 4,6 9,3; ₁ = 1,8 3,6; ₂ = 1,8 4,96, Re = (3 50)10³). Отримано узагальнюючі залежності, які враховують вплив на інтенсивність теплообміну параметрів оребрення труб і крокових характеристик пучків. Розрахункова схема забезпечує розбіжність із дослідними даними не більш 15% для 96% досліджених пучків Визначено істинну ефективність розрізного ребра. Встановлено, що вона не залежить від компонування труб у пучку і зростає порівнянню зі звичайним спірально-стрічковим оребренням на 14%. Виконано дослідження аеродинамічного опору зазначених пучків труб. Результати узагальнені розрахунковими залежностями, що є функціями числа Рейнольдса Re_е, приведеної довжини H/F і параметра розміщення S₁/S₂ (HF = 8 40 S₁S₂ = 035 2 Re_е = (4 50)10³) та забезпечують розбіжність з дослідними даними не більше 15% для всіх досліджених пучків Аналіз теплофізичних процесів, що мають місце в даному випадку, дозволяє стверджувати, що розрізання ребра призводить до значної турбулізації потоку внаслідок періодичної руйнації і відновлення прикордонного шару. У результаті маємо значне зниження термічного опору, а також скорочення кормової зони, що характеризується найменшим рівнем тепловіддачі. Істотний вплив на теплофізичні процеси надає глибина розрізання ребра. Встановлено, що існує така величина глибини розрізання при який коефіцієнти оребрення труб із розрізним і звичайним спірально-стрічковим оребренням однакові Збільшення конвективного коефіцієнта тепловіддачі при поперечному обтіканні коридорних пучків труб із розрізним оребренням складає 10 30% при зростанні аеродинамічного опору на 15 45%.

Виконано дослідження середньоповерхневого теплообміну й аеродинамічного опору шахових пучків труб із розрізним оребренням і поворотом пелюстків в інтервалі геометричних характеристик = 5,1 7.8; ₁ = 2,2 3,9; ₂ = 1, 6 2,7 при значеннях числа Рейнольдса Re = (4 50)10³. Отримано узагальнюючі залежності для розрахунку теплоаеродинамічних характеристик зазначених пучків, які з точністю 18% та 20% узагальнють дослідні дані відповідно по теплообміну та аеродинамічному опору. Постійне значення показника ступеня m числа Рейнольдса Re при постійному значенні коефіцієнта оребрення у формулі теплового розрахунку для досліджуваного діапазону крокових характеристик пучків свідчить про домінуючий вплив на рівень обуреності потоку його зриву з розгорнутих пелюстків. Інтенсифікація теплообміну досягає 40% у порівнянні зі звичайним спірально-стрічковим оребренням при зростанні аеродинамічного опору на 15 50%.

Виконано дослідження теплоаеродинамічних характеристик шахових пучків труб із розрізним паралельно- і конфузорно-підігнутим оребренням з геометричними характеристиками = 7,84 (паралельне підгинання); = 9,31 (конфузорне підгинання); ₁ = 2,2 3,9; ₂ = 1,6 2,7 в області числа Рейнольдса Re = (3 50)10³. Процес обтікання поверхні складної конфігурації, отриманої в результаті розрізання і підгинки ребра, дає можливість одержати інтенсифікацію тепловіддачі того ж порядку, що і для звичайного розрізного оребрення. Значне скорочення поперечного кроку труб, а отже і габаритів пучка в цілому, у сукупності з відзначеним вище фактом дає можливість скоротити масогабаритні характеристики теплообмінного апарата без втрати теплової ефективності.

Виконано порівняльну оцінку теплоаеродинамічної ефективності досліджених ребристих поверхонь. Встановлено, що найбільш ефективним є шаховий пучок труб із розрізним оребренням і поворотом пелюстків. Чистий виграш по зовнішньому теплообміну складає до 40% у порівнянні із шаховим пучком труб із звичайним спірально-стрічковим оребренням. Зниження маси випарного пакета казана парогазової установки склало при цьому 33%, зниження об'єму - до 27%.

Результати роботи використані на ЗАТ “Українські теплогенератори” в системах теплоутилізації газових викидів промислових агрегатів, на УкрНДІпластмаш в конструкції теплообмінної апаратури для підігрівачів термального масла теплової станції екструдера та в котлах-утилізаторах, що проектуються ВАТ “ИК ЗИОМАР” та виготовляються ВАТ “Машинобудівельний завод “ЗиО-Подольск”.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Письменный Е.Н., Терех А. М., Матвиенко О. Е. Теплоаэродинамические характеристики пучков труб с сегментным оребрением // Промышленная теплотехника. - 1999. - Т.21. - № 4-5. - С. 76 - 79.

Терех А. М., Шаповал О. Е., Письменный Е.Н. Среднеповерхностный теплообмен поперечно-омываемых коридорных пучков труб с разрезным спирально-ленточным оребрением // Промышленная теплотехника. - 2001. - Т.23. - № 1 - 2. - С. 35 - 41.

Шаповал О. Е., Письменный Е. Н., Терех А. М. Аэродинамическое сопротивление поперечно-омываемых коридорных пучков труб с разрезным оребрением // Промышленная теплотехника. - 2001. - Т.23. - № 4 - 5. - С. 63 - 68.

Письменный Е Н Шаповал О Е, Терех А М Особенности течения на поверхности разрезного ребра Пром теплотехника 2001 Т 23 № 6 С 64 67

Размещено на Allbest.ru

...