CC BY
15
ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ ЛУЧИСТОГО ПОТОКА НА СТЕНКУ ТЕПЛООБМЕННИКА ВНУТРИ КОЛЬЦЕВОГО КАНАЛА ПРИ НАЛИЧИИ В НЕМ ПЕРФОРИРОВАННОГО ЭКРАНА
Шевченко Сергей Николаевич
канд. техн. наук, доцент, Балтийская государственная академия
рыбопромыслового флота, РФ, г. Калининград E-mail: shevchenko_s@baltnet. ru Бабий Людмила Викторовна преподаватель, Балтийский военно-морской институт, РФ, г. Калининград
Хотянович Ирина Николаевна преподаватель, Балтийский военно-морской институт, РФ, г. Калининград
CHARACTER OF CHANGES RADIANT FLUX ON WALL HEAT EXCHANGER INSIDE THE ANNULAR CHANNEL WITH THE PRESENCE
OF A PERFORATED SCREEN
Sergey Shevchenko
PhD, Associate Professor, Federal state budgetary educational institution of professional education «Baltic state academy of the fishing fleet», Russia
Kaliningrad Ludmila Babi
assistant professor, Baltic Naval Institute, Russia Kaliningrad
Irina Khotyanovich
assistant professor, Baltic Naval Institute, Russia Kaliningrad
АННОТАЦИЯ
Проведен анализ влияния степени перфорированности и степени черноты экрана и стенки внутреннего канала теплообменника на поток излучения к наружной трубе теплообменника. Расчеты производились резольвентно-зональным методом Суринова-Гебхарта. Получены формулы, определяющие средние разрешающие и средние угловые коэффициенты системы. Показано, что с увеличением степени черноты и степени перфорированности лучистый поток уменьшается.
ABSTRACT
The influence of the degree of perforated and emissivity screen and the wall of the inner channel of the heat exchanger on the radiation flux to the outer tube of the heat exchanger. Calculations were made resolvent zonal method Surinov-Gebhart. The formulas defining the medium resolution and medium angular coefficients of the
system. It is shown that with increasing degree of blackness and perforating radiant flux decreases.
Ключевые слова: степень черноты; разрешающий угловой коэффициент излучения; плотность потока излучения; результирующее излучение; теплообменник.
Keywords: emissivity; exchange factor; radiation flux; heat radiation; heat exchanger.
Интенсификация передачи теплоты в теплообменниках и уменьшение теплопотерь является актуальной задачей, так как позволяет не только уменьшить массо-габаритные характеристики теплообменников, но и увеличить их тепло-энергетическую эффективность. В большинстве широко распространенных теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» горячий теплоноситель движется по центральному трубопроводу, а нагреваемый — по кольцевому каналу. Это объясняется тем, что при другом расположении движущихся сред теплопотери резко возрастают. Даже при движении нагреваемого теплоносителя в кольцевом канале остается проблема уменьшения теплового потока на внутреннюю поверхность наружной трубы теплообменника и увеличении интенсивности теплоотдачи к движущемуся внутри кольцевого канала теплоносителю [1]. При наличии газовой среды эту проблему можно решить путем установки перфорированного (сетчатого) экрана внутри кольцевого канала.
На рисунке 1 представлена схема кольцевого канала теплообменника, содержащего перфорированный экран. Для проведения анализа по эффективности применения экрана примем, что поверхность зон внутри кольцевого канала диффузно серая, однородная. Для расчета будем использовать зональный метод Суринова-Гебхарта [2].
Так как сетчатая поверхность достаточно тонкая, можно принять, что температуры на внутренней и наружной поверхности экрана равны. Кроме того, можно принять О2,з = О2 = Оз.
Рассмотрим случай, когда температура перфорированного экрана практически равна температуре внутренней поверхности кольцевого канала. Тогда Т23 = Т4 = Т и система уравнений для результирующих потоков упрощается. Учитывая, что О23 = О4 = □, получим
др1 = Е^ • [е • (т4 -Т4 )• Ф!2 + Ф!3 + ФМ[11;
-4 |-т4'
^рз
• I » •
44
Ф21] Р2
Фз1 • Рз
Ф41. • Р4
Для проведения анализа будем считать Т1 = 0 К, □ 1 = 1.0. Тогда
0р1 =еоТ4-(Ф12 +Ф13 +Ф14 )•
Ор2 =-ЕОТ4 Ф 21 • к
21 2
Орз = —ЕОТ4 Ф 31 • Бз-
1 5
Ор4 = —Е • ОТ4 Ф11 • Б4.
4
Будем рассматривать безразмерную плотность теплового потока
Рр,
Я -
р1 еаТ4 • ъ
Тогда
Яр1 = Ф 12 +Ф 13 +Ф14
где Фц — средние разрешающие угловые коэффициенты, определяемые
п
зависимостью ф 1к = X (1 -е 1 )Ф 1J фJk +ф 1к. Тогда
1=1
ф12 =ф12 Ф13 =(1-е}-[Ф|3Фзз+Ф14ф43]+ф13
Ф14 = (1-е)-Ф1зФз4 + Ф14 Из последних двух выражений находим Ф13 :
(1-е)ф14ф4з +Ф13
Ф13 =
1-(1-е)[фзз + (1-е)фз4ф4з1 Тогда
^ = (1-£)'[(1-£)'ф14ф43 +ф1з]-ф34 +ф 14 1-(1-е)[фзз+(1-е)фз4ф4з] 4
Средние угловые коэффициенты излучения определяем из условий замыкаемости и взаимности X ф« = 10 и ф = ъ ф . Тогда
ф11 +ф12 +ф13 +ф14 =10 фз1 +фз3 +фз4 =10
Ф 41 +Ф4з = 10
Соответственно Ф21 = 1.0, ф12 = Х21(1 — р); ф14 = Х41Р ; Ф4з = 1 — р ; Ф41 = р ; фз4 =х 42. Угловой коэффициент Фзз является независимым угловым коэффициентом. В [з] подобный коэффициент приближенно был вычислен аналитически, при этом на внутренней поверхности перфорированного цилиндра выделяется перфорированный элемент и с помощью алгебраического метода и метода интегрирования по соответствующим поверхностям с последующим разложением полученных выражений в ряд (интегралы от локального углового коэффициента излучения в элементарных функциях не выражаются) находится средний угловой коэффициент между выделенными элементами. Однако, данный коэффициент найден лишь приближенно. Использование теоремы, доказанной в [4], решение задачи упрощает и получается его точное значение.
Рассмотрим систему из двух осесимметрично расположенных сплошных цилиндров, имеющих кольцевой канал. Наружной поверхности внутреннего цилиндра присваиваем индекс «1», внутренней поверхности наружного цилиндра присваиваем индекс «2».
_ к
Тогда ф21 +ф22 =10. Так как РФ12 = Р2ф21 и ф21 = к"ф12, а ф12 =10, то Ф21 = К-1/К-2 = Х12 . Тогда Ф22 = 1 — Ф21 = 1 — Х12.
Учитывая теорему для нашего случая ф22 =(1—^12
М1—Р). С учетом
принятых обозначений индексов в нашем случае
Фзз =(1 —Х42 )•(!—Р)
Отсюда находим выражение для Ф
з1
Фз1 =1 —Фзз —Фз4 =(1 —Х42)^Р
Последний угловой коэффициент системы определяется следующим образом:
Ъз ф 31 = р1 ф 13- ф13 фз1 =Х21 -(1 -Х42 )-р-(1 -Ь)
Р1
Тогда
ф11 =1-ф12-ф13-ф14 ==1-Х41Р-Х21-(1-Р)-[1+Р-(1-Х42)]
Расчеты яр1 производим при заданных значениях ^41, £,21. Выразим £,21 через ^42 и ^41
'с _ 54 'с _ 54 'с _ 5 2 Х41 = Х42 = Х21 =
Легко видеть, что
X = = = Х41 X = Х 41
Х21 = те = те /те =х , т. е. х21 = х
К1 К4/К2 Х42 ' Х42
Тогда достаточно задать только два параметра £,42 и £,41, причем £,42 > £,41. На рисунке 2 представлены значения яр1 при £,41 = 0,3; £,42 = 0,5 Как видно из рисунка уменьшение лучистого потока на стенку газохода происходит как при малых, так и при больших значениях р. При малых в
Рисунок 2. Зависимость безразмерной плотности теплового потока qp1 от степени черноты поверхности □ и степени перфорированности экрана
уменьшение потока более значительно, что хорошо согласуется с перфорационным эффектом [5].
Результаты данного расчета показывают области, в которых использование таких экранов наиболее эффективно.
Список литературы:
1. Интенсификация теплообмена. Успехи теплопередачи // Вильнюс: Мокслас. 1988 — 188 с.
2. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М: Изд-во «Мир». 1975. — 935 с.
3. Румянцев А.В., Брюханов О.Н. Радиационный теплообмен в коаксиальных цилиндрических системы с перфорированной поверхностью./ в сб.: Теория и практика сжигания газа VII. Л.: Недра. 1981. — с. 157—161.
4. Шевченко С.Н., Дмитриев И.М., Томилко В.Т. Упрощенный метод расчета угловых коэффициентов излучения между поверхностями, содержащими перфорированные элементы. / В сб. н. трудов Наука, образование,
общество: проблемы и перспективы развития. Тамбов. — 2013. — с. 182— 183.
5. Шевченко С.Н. Перфорационный эффект и его особенности. / Труды VI Между народной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах». Томск: Изд-во ТПУ. 2008. — с. 630—638.
