Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков с применением винтовых вставок

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681

Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков с применением винтовых вставок

Е.А. Маврин

Аннотация

тонкослойный жидкость энергия теплообменный

Представлены методика и результаты исследований кольцевой тонкослойной установки для передачи тепловой энергии на единицу площади жидкости малой металлоемкости.

Ключевые слова: завихрители, тепловая энергия, гидродинамика, теплообмен, закрученные потоки, винтовые вставки.

Применение завихрителей различных конструкций [1; 2; 4] в теплообменной аппаратуре приводит к интенсификации процессов тепломассообмена и повышению гидродинамического сопротивления. В процессе исследований применялись завихрители винтового типа, которые просты в изготовлении и эффективны. На их основе можно модернизировать существующую теплообменную аппаратуру трубчатого типа, кожухотрубные теплообменники или теплообменники типа «труба в трубе», уменьшить их габариты и энергозатраты.

Были проведены гидродинамические и тепловые исследования жидкости на опытной установке и сравнена эффективность закрученных и осевого потоков жидкости.

Принципиальная схема опытной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема опытной установки теплообменной аппаратуры: 1 - завихритель, расположенный перпендикулярно оси потока; 2 - винтовая оребренная вставка; 3 - кассета с завихрителями; 4 - внутренняя труба; 5 - опытный участок; 6 - наружная труба; 7 - У - образный манометр; 8 - термопара; 9 - штуцер; 10, 14 - насос; 11 - термостат; 12 - емкость с тенами; 13 - контактный термометр; 15 - расходомер; 16 - бак с испытуемой жидкостью.

Молоко заполняет бак и через расходомер поступает в опытный участок, где нагревается и сливается в канализацию. Средняя скорость потока молока принята 0,5…1,8 м/с, число Рейнольдса - 10⁴…4·10⁴.

При исследованиях поддерживался постоянный напор жидкости. Это обеспечивалось постоянной подпиткой напорного бака из водопроводной сети и другой емкости с помощью насоса.

Стенки трубы обогревались горячей водой, которая поступала из термостата в рубашку с максимальным расходом. Отработанный горячий теплоноситель проходил две последовательно расположенные емкости, снабженные тенами и контактными термометрами, нагревался и возвращался в термостат, завершая замкнутый цикл.

Применение автоматики для включения тенов и вывода установки на заданный температурный режим позволило поддерживать постоянной температуру горячего теплоносителя на входе в опытный участок и проводить опыты при постоянной удельной тепловой нагрузке Вт/м².

По длине опытного участка фиксировалась температура стенки по показаниям термопар. Горячие спаи термопар Т были зачеканены в стенку трубы на расстоянии 1мм от ее внутренней поверхности. Они фиксировали температуру стенки со стороны холодного теплоносителя.

Потерянный напор на опытном участке определялся по разнице показаний У - образного манометра с точностью до 1 мм водяного столба (или потеря давления с точностью до 10 Па). Манометр был расположен таким образом, чтобы обеспечивался участок гидродинамической стабилизации до и после турбулизирующих вставок.

Установка состоит из обогреваемых дюралюминиевых труб из сплава Д16 (ГОСТ 23697 - 79); внутренние диаметры труб - соответственно 76, 102, 140 мм, толщина стенок - 2 мм. Во внутреннюю полость трубы с зазором 0,5 мм на сторону вводилась ось с завихрителями различной конструкции. Они обеспечивали закручивание потока жидкости с целью интенсификации процесса теплоотдачи. Между внутренней и средней трубами, а также между средней трубой и рубашкой вводились винтовые оребренные вставки с различным шагом. Между внутренней и средней трубами, куда подавался продукт, - зазор в 20 мм (по 10 мм на сторону) для увеличения площади соприкосновения продукта со стенками труб. Кроме того, продукт в опытный участок поступал в закрученном потоке, огибая внутреннюю трубу и касаясь стенок внутренней и средней труб. Горячая вода, которая поступала противотоком в рубашку, также двигалась в закрученном потоке, огибая среднюю трубу и нагревая ее стенку. Передача тепла от горячего теплоносителя к холодному осуществлялась через стенки труб.

Испытаны двухзаходные винтовые оребренные вставки из дюралюминиевой полосы толщиной 3 мм с шагом S = 220, 160 и 120 мм. Вставки размещались в центральной части опытного участка, что позволяло избежать влияния торцевых эффектов на процессы теплоотдачи.

Установка позволяет регулировать и фиксировать расход холодного и горячего теплоносителя, потерянный напор, температуру обогреваемой стенки по длине трубы и заменять турбулизирующие вставки.

Сопоставление экспериментальных данных исследований закрученных и осевого (незакрученного) потоков жидкости с рассчитанными по известным критериальным уравнениям позволяло судить о точности экспериментов (отклонения не превышали 15%). За определяющий геометрический размер принимался внутренний диаметр трубы d, что позволяло обоснованно сравнивать эти потоки. Обработка велась с учетом осевой скорости (осевая составляющая) и результирующей скорости V закрученного потока. Осевая скорость определялась по известным расходу и площади живого сечения трубы, а результирующая - из треугольника скоростей [3]. Они связаны через крутку потока выражением

. (1)

При двухзаходных винтовых вставках поток жидкости в два раза быстрее вращается при своем движении по трубе, чем при использовании однозаходных винтовых вставок того же шага, т. е.

.

Числа Рейнольдса для осевого и закрученных потоков, отличающиеся только значениями скоростей, с учетом выражения (1) можно определить следующим образом:

. (2)

Длина винтового пути l для закрученного потока определялась из треугольника развертки винтовой направляющей по выражению

.

В гидродинамических исследованиях потерянный напор (или потерянное давление) вычислялся по разнице показаний манометра:

.

Последующая обработка экспериментальных данных проводилась через критериальные уравнения по методике [5].

Зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса, рассчитанного по осевой скорости обоих закрученных потоков, показаны на рис. 2

Рис. 2. Зависимость коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса (по осевой составляющей скорости ) для осевого (1) и закрученных (2, 3, 4) потоков с шагом (S, мм): + - 220; х - 160; ? - 120

Результаты опытов (точки) с точностью до 12% аппроксимируются линейными зависимостями, параллельность которых свидетельствует о том, что показатель степени при Re₀ будет одинаковым и равным 0,25. Каждой турбулизирующей вставке соответствует своя прямая, т. е. меняется коэффициент при .

Обработка через результирующую скорость V и число Re по выражениям (1), (2) и показаниям на рис. 3 позволяет получить единое расчетное уравнение коэффициента гидравлического трения для закрученных потоков [6]:

. (3)

Для осевого потока - по формуле Блазиуса [7] - . С учетом выражений (1), (3) можно определить и сопоставить потерянный напор для закрученных и осевого потоков жидкости.

Рис. 3. Зависимость л = ѓ(Re) для осевого (л₀) и закрученных (л) потоков: 1 - осевой поток; 2 - закрученные потоки с шагом (S, мм): + - 220; х - 160; ? - 120

По найденным значениям коэффициентов теплоотдачи б были рассчитаны критерии Нуссельта. Обработка велась в логарифмических координатах по осевой составляющей скорости (рис.4) и результирующей скорости V (рис.5).

Рис. 4. Зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса ( по осевой составляющей скорости V₀) для осевого (1) и закрученных (2, 3, 4) потоков с шагом (S, мм): + - 220; х - 160; ? - 120

Обработка по результирующей скорости позволила обобщить экспериментальные данные (точки), которые с точностью до 15% могут быть аппроксимированы единой критериальной зависимостью:

.

Увеличение теплоотдачи и потерянного напора исследованных закрученных потоков по отношению к осевому в зависимости от крутки потока показано на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость Nu = ѓ(Re) для осевого (1) и закрученных (2) потоков с шагом (S, мм): + - 220; х - 160; ? - 120

Приведенные кривые свидетельствуют о том, что применение винтовых оребренных вставок приводит к увеличению потерь напора и росту коэффициентов теплоотдачи, причем потери напора растут примерно в 1,5 раза быстрее, чем теплоотдача.

Пересчет потерянного напора в мощность и сопоставление этих величин с выигрышем от увеличения теплоотдачи позволяют рекомендовать применение винтовых оребренных вставок в разработанной кольцевой тонкослойной установке: интенсифицируется теплообмен и уменьшается металлоемкость в 1,5…2 раза.

Рис. 6. Зависимость относительного потерянного напора и относительного числа Нуссельта для закрученных (h, Nu) и осевого (h₀,Nu₀) потоков от крутки потока (tg ц): 1 - ; 2 - , 3 - осевой поток

Список литературы

1. Игуменцев, Т.И. Интенсификация конвективного теплообмена спиральными закручивателями при течении в трубах аномально-вязких жидкостей / Т.И. Игуменцев, Ю.Г. Назмеев // Инж.- физ. журн. - 1978. - № 2. - С. 41 - 48.

2. Иосифов, М.И. Некоторые результаты аэродинамических испытаний турбулизаторов со встречной закруткой потока / М.И. Иосифов // Изв. вузов. Энергетика. - 1964. - №9. - С. 54 - 60.

3. Назмеев, Ю.Г. Интенсификация конвективного теплообмена в аномально-вязких средах путем применения искусственной периодической шероховатости / Ю.Г. Назмеев // Инж.- физ. журн. - 1979. - №1. - С. 26 - 31.

4. Шнайдерман, М.Ф. О влиянии закрутки потока на распределение скоростей и температур в круглой трубе / М.Ф. Шнайдерман, А.И. Ершов // Инж.- физ. журн. - 1975. - № 3. - С. 63 - 69.

5. Халатов, А.А. Расчет характеристик закрученного потока в пристенной области цилиндрического канала / А.А. Халатов // Пром. теплотехника. - 1980. - №1. - С.57-61.

6. Чоу, Дж.Р. Экспериментальное исследование интенсификации теплоотдачи при вынужденной конвекции в цилиндрической трубе с помощью спиральных пружинных вставок / Дж.Р. Чоу // Теплопередача. - 1988. - №1. - С. 13-21.

7. Щукин, В.К. Гидравлическое сопротивление вращающихся труб / В.К. Щукин // Инж.- физ. журн. - 1967. -. №6. - С. 782 - 787.

Материал поступил в редколлегию 9.04.10.

Размещено на Allbest.ru