Дисипативне нагрівання текучого середовища в каналі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ДИСИПАТИВНЕ НАГРІВАННЯ ТЕКУЧОГО СЕРЕДОВИЩА В КАНАЛІ

Спеціальність: Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Горячкін Вадим Миколайович

Дніпропетровськ, 2005 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисипація енергії в текучому середовищі обумовлена тертям на обтікаємих поверхнях, супроводжується втратами кінетичної енергії потоку, підвищенням температури рідини в гідродинамічних підшипниках, ротаційних віскозиметрах, зменшенням гідравлічного ККД машин. Аеродинамічне нагрівання літальних апаратів є суттєвою перешкодою збільшенню їх швидкості.

Відомим дисипативним нагрівачем була установка Джоуля для визначення еквівалента тепла і роботи. Дисипативне нагрівання з розділенням газу на холодний і гарячий відбувається в трубі Ранка-Хілша. Пізніше з'явились аеродинамічні нагрівачі повітря в замкненому каналі з нагнітачем-вентилятором. В останні роки запропоновані теплогенератори нагрівання рідини в циркуляційному контурі. Але до теперішнього часу відсутні науково обґрунтовані методи розрахунку дисипативного нагрівання текучого середовища, а втрати кінетичної енергії в каналах визначаються за емпіричними формулами. Дисертаційна робота присвячена дослідженню дисипативного нагрівання текучого середовища, з'ясуванню механізму генерації і переносу тепла в нагрівальних каналах та створенню методу розрахунку такого нагрівання.

Актуальність теми. Внаслідок підвищення вартості та за умов дефіциту енергоресурсів, відновлення та заміни значної частини обладнання зросла важливість проблеми удосконалення технологій одержання і використання енергії в новому поколінні машин. Появою, а потім швидким розвитком ЕОМ створена технічна база числових розрахунків з використанням законів теплофізики для оптимізації форми, розмірів і режиму руху текучого середовища в каналах. Такий шлях дозволяє в більшості випадків досягти значної економії енергоресурсів за умов недорогої реконструкції.

Але можливості використання числових методів розрахунку обмежені відсутністю загальноприйнятих підходів до визначення коефіцієнтів переносу (в'язкості, теплопровідності) для турбулентного потоку, тому до теперішнього часу базовими залишаються емпіричні залежності.

Оскільки дисипація в каналах обумовлює зменшення гідравлічного ККД машин та використовується при генерації тепла, її дослідження є актуальним для теплоенергетики.

Мета і задачі дослідження.

Мета дослідження - підвищення ефективності дисипативного нагрівання, розробка дисипативних нагрівачів і створення методики розрахунку їх характеристик.

Задачі дослідження:

- математичне моделювання дисипативного нагрівання текучого середовища в адіабатних і ізотермічних каналах;

- визначення механізму дисипативного нагрівання, втрат кінетичної енергії і перенесення тепла;

- розробка методу розрахунку і удосконалення адіабатних і ізотермічних нагрівачів, їх експериментальне дослідження.

Об'єкт дослідження - дисипативне нагрівання текучого середовища.

Предмет дослідження - адіабатний і ізотермічний плоский, круглий і кільцевий канали.

Методи дослідження.

Розподіл температури, швидкості і тиску текучого середовища досліджувались за допомогою числових розрахунків на ЕОМ. Експериментальне дослідження дисипативних нагрівачів виконували із застосуванням стандартних вимірювальних приладів. Температурний режим ізотермічного нагрівача досліджували в промисловому агрегаті із застосуванням штатних вимірювальних приладів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. На моделі адіабатного каналу з числового розв'язку рівняння енергії вперше отриманий розподіл температури в нестисливому текучому середовищі при Re < Reкр. Максимальна температура досягається біля стінки каналу. Теплова потужність нагрівання співпадає з потужністю на переміщення середовища в каналі;

2. З числового розв'язку рівняння енергії незакрученого потоку стисливого газу з Re > Reкр із застосуванням параболічного профілю швидкості і залежної від координат ефективної в'язкості вперше встановлено, що газ нагрівається біля стінки і охолоджується на вісі каналу. Температурне розділення газу було виявлене раніше експериментально для вихрової труби і відоме як ефект Ранка-Хілша;

3. Вперше встановлено, що теплова потужність нагрівання потоку нестисливого середовища з Re < Reкр на ділянці каналу 10d менше на ?10-50% від потужності на переміщення, що пов'язано з переходом частини кінетичної енергії потоку в кінетичну енергію вихорів;4. Із застосуванням розробленої методики розрахунку нагрівання високов'язкого текучого середовища в ізотермічному каналі з врахуванням залежності в'язкості від координат отримані нові закономірності розподілу швидкості і температури, які дозволяють удосконалити розрахунки тепловіддачі і оптимізувати форму і розміри нагрівача.

Практичне значення одержаних результатів.

Практичне значення мають запропоновані в дисертації методи розрахунку адіабатного і ізотермічного нагрівачів з оптимізацією форми і розмірів нагрівальних каналів.

За результатами теоретичних досліджень отримані патенти на винаходи "Спосіб нагрівання текучого середовища", "Ферментатор біогазової установки", "Підігрівач мазуту", "Теплогенератор". Результати дослідження впроваджені в дослідному зразку теплогенератора біогазової установки виготовленому ВАТ "Верхньодніпровський машинобудівний завод". Підігрівачі мазуту впроваджені на котлах ДКВр-10-13, ДКВр-20-13 на ЗАТ "Запорізький залізорудний комбінат" (м. Дніпрорудне), ДКВр-6,5-13 на ВАТ "Веселовський завод сухого знежиреного молока" (смт. Веселе, Запорізька обл.).

Особистий внесок здобувача. В опублікованих роботах здобувачем особисто:

- розроблена математична модель і виконані розрахунки дисипативного нагрівання потоку в плоскому, круглому і кільцевому адіабатних каналах;

- розроблена математична модель і виконані розрахунки нагрівання потоку високов'язкого текучого середовища в круглому і кільцевому ізотермічних каналах;

- виконане обґрунтування способу нагрівання, форми і розмірів нагрівальних каналів нагрівачів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на IV Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції "Людина і космос" (Дніпропетровськ, 2002), на Міжнародній конференції "Теплотехніка і енергетика в металургії" (Дніпропетровськ, 2002), на наукових семінарах Національного центру аерокосмічної освіти молоді України (Дніпропетровськ), кафедри "Теплотехніка" Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, об'єднаному науковому семінарі кафедр "Теплотехніка і екологія металургійних печей" та "Промислова теплоенергетика" Національної металургійної академії України (Дніпропетровськ).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в трьох статтях в фахових виданнях України, чотирьох патентах на винаходи, одних тезах доповіді.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та трьох додатків. Обсяг дисертації 125 сторінок, 70 рисунків, 14 таблиць, 64 найменування літературних джерел.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі поданий огляд літератури за темою, та обґрунтований напрямок досліджень.

Із законів збереження маси, кількості руху, енергії випливає, що рух в'язкого середовища супроводжується переходом частини механічної енергії в теплову. Перехід механічної енергії в теплову називають дисипацією.

Розв'язок рівняння енергії в загальному вигляді став можливим після розробки числових методів і появи ЕОМ. Але складнощі детального аналізу дисипації енергії залишилися, оскільки відсутній єдиний підхід до визначення в'язкості при числах Рейнольдса більших від критичних, коли ламінарний рух переходить в турбулентний. Тому відомі дослідження дисипативного нагрівання виконані лише при малих числах Рейнольдса, для молекулярних в'язкості і теплопровідності.

Розв'язок рівняння енергії ідеального газу в круглій трубі з врахуванням підведення тепла внаслідок тертя отримав Л.А. Вуліс (1950). Г. Шліхтінг (1951) знайшов аналітичний розв'язок спрощеного рівняння енергії для течії Куетта між плоскими паралельними стінками, одна з яких рухається, при заданих температурах стінки. Ним же (1969) отриманий розв'язок для плоскої течії в каналі з паралельними стінками і параболічним розподілом швидкості. Розв'язок спрощеного рівняння енергії відомий з робіт Б. Діжиоглу (1960), а для круглої труби - У. Григула (1955) і Л.Д. Ландау (1988). І.П. Гінзбург (1970) знайшов розв'язок рівняння енергії по довжині для лінійного зростання температури стінки по довжині.

В 1963-64 рр. запропоновані спосіб і пристрій аеродинамічного нагрівання, які були використані при створенні рециркуляційних нагрівальних установок (РНУ). Було налагоджене виробництво печей для теплової обробки матеріалів при температурах 50-550°С в технологіях полімеризації, сушіння лакофарбових покриттів, термообробки органічного скла і синтетики, кольорових металів. Печі з роторним нагріванням отримали назву печей аеродинамічного підігріву (ПАП) і забезпечують перехід в тепло 86-96% енергії електродвигуна.

В останні роки запропоновані гідродинамічні теплогенератори з дисипативним нагріванням води та налагоджене їх виробництво.

Виходячи з аналізу відомих досліджень дисипації енергії в текучому середовищі, її впливу на роботу агрегатів та спроб використання для генерації тепла, напрямком дисертаційної роботи було обране дослідження механізму дисипативного нагрівання та розробка методів його розрахунку. Оскільки дисипативна складова в рівнянні енергії є малою, базовим предметом досліджень вибраний адіабатний канал, в якому тепло дисипативного нагрівання залишається в потоці. Ключовим стало отримання числового розв'язку рівняння енергії для турбулентного руху. Запропонований підхід до розгляду прикладних теплових процесів з врахуванням дисипації кінетичної енергії був показаний на прикладі дослідження нагрівання високов'язкого мазуту в ізотермічному каналі, який використовується в теплообмінних апаратах.

Другий розділ присвячений вивченню дисипативного нагрівання текучого середовища в адіабатних плоскому, круглому і кільцевому каналах при Re < Reкр.

Розподіл температури стисливого текучого середовища в плоскому каналі визначається з рівняння енергії:

Граничні умови:

Швидкість потоку:

Середня швидкість:

Середня температура в поперечному перерізі:

Числове інтегрування рівняння енергії виконували для стисливого текучого середовища (азот) і нестисливих води і гліцерину при 2b = 0,05 м., L = 0,5 м., Re = 2000, Т0 = 293 К.

Розподіл температури по висоті каналу.

Для азоту максимальна температура біля стінки каналу. В центрі температура зменшується внаслідок втрат тиску по довжині каналу. Середня в перерізі температура по довжині каналу не змінюється, оскільки потужність дисипативного нагрівання відповідає енергії розширення потоку.

Якщо нагрітий біля стінки шар газу відібрати з периферійної зони, то в центральній зоні будемо мати охолоджений газ. Таке розділення реалізується в трубі Ранка-Хілша. В аеродинамічних нагрівачах необхідно працювати під надлишковим тиском і нагрівати газ на лопатях вентилятора.

Для нестисливих середовищ доданок з:

- по довжині каналу відсутній. Як і слід було очікувати, гліцерин з більшими на три порядки динамічною в'язкістю і швидкістю в порівнянні з водою має більшу в 107 раз температуру. На відміну від стисливого азоту середня температура води і гліцерину підвищується по довжині каналу, а потужність дисипативного нагрівання співпадає з потужністю, яка витрачається на перекачування текучого середовища через канал.

Рівняння енергії стисливого текучого середовища в круглому і кільцевому каналах:

Граничні умови в круглому каналі:

Результати розрахунку дисипативного нагрівання в круглому каналі діаметром 2R = 0,05 м. і довжиною L = 0,5 м. при числі Рейнольдса Re = 2000 і температурі Т0 = 293 К.

З графіків видно, що, порівняно з плоским каналом, при однакових числах Re товщина пристінного шару зменшується, а температура в ньому збільшується, температура в центрі каналу зменшується. Збільшення середньої температури в 2,6 рази обумовлене більшим гідравлічним опором для круглого каналу.

Для кільцевого каналу:

Результати розрахунку для кільцевого каналу з R = 0,0984 м., L = 0,5 м. Витрата текучого середовища обиралась з умови однакової потужності на переміщення з круглим каналом. Температура зростає біля обох стінок каналу, причому біля внутрішньої стінки температура вища чим біля зовнішньої.

Рівняння енергії вихрового потоку стисливого середовища з Re > 2300 має вигляд:

Ефективна в'язкість і теплопровідність входять під знак похідних як залежні від радіуса. Граничні умови аналогічні ламінарному руху.

З розподілу напруги по радіусу ефективна в'язкість:

Ефективна в'язкість, визначена за отриманим профілем швидкості, не змінюється по радіусу, окрім ділянки безпосередньо біля стінки, де вона знижується до молекулярної.

Результати розрахунку температури для води з:

Третій розділ містить методи розрахунку і експериментальні дослідження дисипативних нагрівачів.

Метод розрахунку гідродинамічного теплогенератора і дисипативного нагрівача. Проектування теплогенератора здійснюється на теплову потужність Nт. По тепловій потужності вибираємо насосний агрегат (винесений або занурений) і принципову схему теплогенератора.

Дисипативний нагрівач. Теплова потужність дисипативного нагрівача N з ККД насоса. Приймаємо для нагрівального каналу число Re < Reкр при максимальній температурі робочої рідини і визначаємо його розміри і середню швидкість руху робочої рідини. Числовим розрахунком визначаємо розподіл температури в нагрівальному каналі, підігрів робочої рідини і потужність дисипативного нагрівання. Визначаємо швидкість нагрівання робочої рідини і тепловий потік через поверхню теплообміну.

Вихровий дисипативний нагрівач. В вихровому дисипативному нагрівачі (Re > Reкр) в тепло, в залежності від Re, переходить частина кінетичної енергії потоку т. Відповідно з т вибираємо розміри нагрівальних каналів, виконуємо числові розрахунки розподілу температури і визначаємо підігрів робочої рідини і потужність дисипативного нагрівання.

Дисипативний нагрівач ферментатора біогазової установки. Дисипативне нагрівання запропоновано застосовувати у ферментаторі біогазової установки. Схема теплогенератора з таким нагрівачем показана на рис. 9. Дисипативний нагрівач складається з двох циліндричних оболонок 1, між якими встановлені поздовжні ребра 2 з можливістю руху в утвореному каналі розчину, стиснутого насосом 3. Лабораторні випробування проводились в повітрі з використанням 29,8% і 38,5% водогліцеринового розчину. Швидкість нагріву 29,8% розчину була 0,15 К/хв, а для 38,5% розчину - 0,175 К/хв. Режим роботи із швидкістю нагрівання меншою від 0,04 К/хв є робочим (регулярним) режимом. На цьому режимі тепло, яке виділяється в нагрівачі врівноважується відводом у навколишнє середовище. Для 29,8% розчину температура регулярного режиму була 31,5°С при температурі повітря 23°С, а для 38,5% розчину - 29,4°С при температурі повітря 21°С.

Теплогенератор з вихровим дисипативним нагрівачем. Дослідження теплових характеристик проводили при застосуванні вихрової труби з різною інтенсивністю закрутки потоку і круглої труби. При Re = 1,65 (105) швидкість нагрівання 0,42 К/хв була однаковою для вихрової і круглої труби, а ККД нагрівання - 91-95%.

На основі досвіду розробки і випробування дисипативного нагрівача ферментатора біогазової установки і теплогенератора з вихровим дисипативним нагрівачем запропоновані спосіб нагрівання за умови відсутності вихорів в потоці і за нерівностями на стінках каналу та нагрівач для його практичної реалізації.

В четвертому розділі розроблена математична модель руху і нагрівання текучого середовища в круглому і кільцевому ізотермічних каналах.

Більшість відомих досліджень дисипативного нагрівання виконані при заданій температурі стінок (Г. Шліхтінг, Л.Д. Ландау, І.П. Гінзбург). При близьких температурах стінки і текучого середовища дисипативне нагрівання впливатиме на розподіл температури в потоці. По мірі підвищення температури стінки вклад дисипативного нагрівання в теплову потужність зменшується. В той же час, якщо температура стінки менше температури текучого середовища, дисипативне нагрівання буде єдиним джерелом тепла.

Рівняння динаміки стаціонарного вісесиметричного потоку нестисливого текучого середовища в безрозмірному вигляді:

Теплофізичні властивості текучого середовища приймали залежними від температури, а профіль швидкості знаходили з врахуванням зміни в'язкості по радіусу. Похідну від теплопровідності в рівнянні енергії не враховували внаслідок її малості.

Після аналізу отриманих результатів був запропонований підігрівач високов'язкого нафтопродукту безпосередньо перед розпилюванням в печах і котельних агрегатах малої і середньої потужності з витратою мазуту на рівні 1200 кг/год. Дослідження підігрівача проводили на мазутоподаючій системі котлів ДКВр-6,5-13, ДКВр-10-13 і ДКВр-20-13. В умовах промислової експлуатації він забезпечив підігрів палива ТКС1 із витратою 660-770 кг/год на 11-12,5°С при температурі пари 103-116°С і високообводненого мазуту з витратою 1060 кг/год на 11°С при температурі пари 170°С.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено нове вирішення задачі підвищення ефективності дисипативного нагрівання текучого середовища в плоскому, круглому і кільцевому адіабатному і ізотермічному каналах. Розроблені математичні моделі та методи розрахунку нагрівання текучого середовища. Запропоновані спосіб нагрівання текучого середовища, дисипативний нагрівач ферментатора біогазової установки та ізотермічний підігрівач мазуту.

За підсумками виконаної роботи зроблені такі висновки:

1. Аналітичний розв'язок рівняння енергії з дисипативною складовою для щілини з рухомою стінкою і заданими температурами отримав Г. Шліхтінг. В'язкість вважалась молекулярною і постійною, а розподіл температури залежним тільки від радіуса. Для круглого каналу з в'язкістю залежною від температури розв'язок отримав У. Григул. Лінійний закон температури по довжині каналу апріорі приймали Б. Діжиоглу і І.П. Гінзбург. Розв'язок рівняння енергії з дисипативною складовою з числами Re > 2300 не відомий. Розрахунки втрат енергії в каналах базуються на емпіричних залежностях;

2. В дисертації побудована математична модель руху і дисипативного нагрівання текучого середовища в плоскому, круглому і кільцевому адіабатних каналах при молекулярній в'язкості. В результаті числового розв'язку отриманий розподіл температури по радіусу і довжині і визначена потужність нагрівання;

3. Дисипативне нагрівання обумовлене гальмуванням молекул текучого середовища при зіткненні зі стінкою та зменшенням їх швидкості, внаслідок чого кінетична енергія переносного руху переходить в тепло. При числах Re < 2300 в тепло переходить вся втрачена кінетична енергія переносного руху молекул нестисливої рідини. В стисливому середовищі одночасно з нагріванням потік охолоджується всередині каналу внаслідок зниження тиску з розділенням на холодний і гарячий. Такий ефект раніше був установлений експериментально для закрученого потоку в трубі Ранка-Хілша;

4. Степеневий та логарифмічний профілі швидкості не можуть бути використані при розв'язку рівняння енергії: при степеневому профілі дотична напруга на стінці дорівнює нулю, а для логарифмічного - нескінченості. Параболічний профіль (Бай Ши-і, 1953) узгоджується з експериментальними даними, свідчить про незалежність ефективної в'язкості від радіуса в ядрі потоку (< 0,9R), зменшення її до молекулярної біля стінки і відображає дотичну напругу на стінці каналу. Для чисел Re = 104 та 105 отриманий розподіл швидкості і ефективної в'язкості по радіусу каналу;

5. В результаті числового розв'язку рівняння енергії для вихрового потоку (Re > 2300) отриманий розподіл температури по радіусу і довжині круглого каналу і визначена потужність нагрівання. Потужність, яка переходить в тепло тим менша, чим більше число Re, і складає при Re = 104 і 105 відповідно 90,0% і 52,4%, а інша частина - акумулюється у вихорах і визначає ефективну в'язкість;

6. Запропонований спосіб дисипативного нагрівання і нагрівач текучого середовища з Re < 2300. Експериментальні випробування підтвердили розрахункову характеристику дисипативного нагрівання для підтримки температури у ферментаторі біогазової установки;

7. Експериментальне дослідження нагріву води в гідродинамічному теплогенераторі показало, що швидкість нагрівання однакова при застосуванні труби із завитковим завихрювачем і без завихрювала;

8. Побудована математична модель руху і нагрівання текучого середовища в круглому і кільцевому ізотермічних каналах із в'язкістю, залежною від температури, яка враховує вплив дисипації кінетичної енергії потоку. Числовими розрахунками визначений розподіл температури і швидкості по радіусу і тиску по довжині каналу при нагріванні мазуту в ізотермічному каналі та визначений вклад дисипації. Встановлено, що прогрівається тільки пристінний шар (1-2 мм.) текучого середовища, а ядро потоку залишається холодним, чим обумовлене відхилення профілю швидкості від параболічного. Кільцевий ізотермічний канал забезпечує підвищення ефективності підігріву високов'язкого текучого середовища за рахунок зменшення товщини непрогрітого шару, що підтверджено розробленим підігрівачем мазуту, випробування якого проведені на котлах ДКВр; енергія молекулярний теплопровідність

9. На основі проведених досліджень рекомендується:

- для дисипативного нагрівання текучого середовища в каналі використовувати потік з малими числами Re і шорсткістю поверхні, яка не приводить до утворення вихорів, в апаратах з малою потужністю теплового потоку та розвинутою поверхнею теплообміну;

- використовувати при проектуванні розроблений метод розрахунку технічної характеристики дисипативного нагрівача;

- в розрахунках вихрового потоку використовувати параболічний профіль швидкості з відповідною ефективною в'язкістю;

- при проектуванні підігрівачів важких і надважких палив з ізотермічним каналом використовувати числовий метод розрахунку нагрівання високов'язкого текучого середовища;

- підігрівач мазуту з кільцевим ізотермічним каналом використовувати на котлах малої і середньої потужності і печах.

СПИСОУ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Коваль В.П., Горячкин В.Н. Тепловая мощность потока текучей среды в трубе при малых числах Рейнольдса // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: НТУ "ХПІ", 2001. - №4. - с. 8-12.

2. Коваль В.П., Горячкин В.Н. Энергетические характеристики вихревого потока в круглой трубе. Вісник Національного технічного університету “ХПІ”: Зб. наук. пр. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2002. - №7. Т. 2. - с. 171-176.

3. Коваль В.П., Горячкин В.Н. Тепловая и гидродинамическая оптимизация подогревателя высоковязких нефтепродуктов // Металлургическая теплотехника. Сб. науч. трудов Национальной металлургической академии Украины. - Днепропетровск: НМетАУ, 2002. - Т. 6. - с. 21-29.

4. Патент 50601 А Україна. МКИ F25B29/00. Спосіб нагрівання текучого середовища. Коваль В.П., Горячкін В.М. - №2002031719, Заявл. 01.03.2002, Опубл. 15.10.2002, Бюл. №10.

5. Патент 51311 А Україна. МКИ F23D11/44. Підігрівач мазуту. Коваль В.П., Горячкін В.М. - №2002021375, Заявл. 19.02.2002, Опубл. 15.11.2002, Бюл. №11.

6. Патент 52125 А Україна. МКИ C12M1/07, C02F11/04. Ферментатор біогазової установки. Коваль В.П., Горячкін В.М., Землянка О.О. - №2002021573, Заявл. 26.02.2002, Опубл. 16.12.2002, Бюл. №12.

7. Патент 62547 А Україна. МКИ F25B29/00. Теплогенератор. Коваль В.П., Горячкін В.М. - №2003043119, Заявл. 08.04.2003, Опубл. 15.12.2003, Бюл. №12.

8. Горячкин В.Н. Гидродинамическое нагревание жидкости в круглой трубе // IV Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос”: Збірник тез. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2002. - с. 106.

Размещено на Allbest.ru