Интенсификация температурной стратификации турбулентных потоков за счет использования тепловых труб Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-176

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

А.А. ЦЫНАЕВА1, Е.А. ЦЫНАЕВА2, Е.В. ШКОЛИН2

1 Самарский государственный архитектурно-строительный университет 2 Ульяновский государственный технический университет

Проведен анализ использования тепловых труб в качестве интенсификаторов температурной стратификации турбулентных потоков. Установлено, что применение тепловьж труб позволяет увеличить эффективность температурной стратификации до 3 раз.

Ключевые слова: турбулентные потоки, температурная стратификация, интенсификация, тепловые трубы.

Введение

Устройство газодинамической температурной стратификации [1] - труба Леонтьева А.И. (рис.1, а) - работает на основе явления переноса тепла между потоками газа с разными числами Маха, разделенными стенкой. Под руководством академика Леонтьева А.И. выявлено [1,2,3], что при сверхзвуковых скоростях (М > 1), особенно для малых чисел Прандтля (Рг < 0,2) [1,2,3], температура восстановления будет значительно ниже температуры торможения. Это связано с тем, что при сверхзвуковых скоростях (число Маха) и при числе Прандтля Рг < 1, температура восстановления газа

на стенке отличается от температуры торможения. Следовательно, возникает

*

температурный напор (Т - температура заторможенного потока; Тг2 - температура стенки со стороны сверхзвукового потока), являющийся движущей силой процесса теплопереноса, и возможность подогрева одного потока газа другим.

Основные результаты

1 2 3 4

г ' / /

1

:■■ /

а) б)

Рис. 1. Схема сверхзвуковой трубы температурной стратификации: а) - без тепловых труб; б) - с тепловыми трубами; 1 - разделительная камера; 2 - тракт дозвукового течения; 3 - тракт сверхзвукового течения, 4 - выходной патрубок тракта сверхзвукового течения; 5 - сверхзвуковой диффузор; 6 - выходной патрубок тракта дозвукового течения; 7 - сверхзвуковое сопло (сопло Лаваля); 8 - тепловая труба с фителем, выполненная в виде продольного ребра; 9 - зона испарения тепловой трубы; 10 - фитиль тепловой трубы; 11 - зона конденсации тепловой трубы

Плотность теплового потока от газа в дозвуковом тракте к газу в сверхзвуковом тракте определяется по выражению [1]

© А.А. Цынаева, Е.А. Цынаева, Е.В. Школин Проблемы энергетики, 2013, № 3-4

Ч = к'(Т* - Тг2 )> (1)

где к - коэффициент теплопередачи.

*

При этом температурный напор ДТ = Т - Тг2 увеличивается с уменьшением температуры Тг2, являющейся функцией коэффициента восстановления г. Следовательно, температурный напор зависит от величины числа Прандтля и определяется природой газа.

Температура Тг2, профили скорости и температуры в сечениях пограничного

слоя, коэффициент восстановления г и коэффициент теплоотдачи рассчитывались в результате решения системы уравнений, описывающих движение и теплообмен в пограничном слое [2]:

- дифференциальное уравнение энергии

( дТ дТЛ д Г/Л л дТЛ , -.( ди Л2 ёр

р-с г &+у ^у |=ду |_(+ХТ ) +иТр+*, (2)

- дифференциальное уравнение движения

( ди ди Л д р| и--+ V— I = —

у дх ду) ду

- неразрывности

д( ри ) д( pv)

, ди

- % + , (3)

ах

= 0, (4)

дх ду

- уравнение состояния

Р = -^ , (5)

ЯТ

Имеющиеся методы интенсификации газодинамической температурной стратификации можно разделить на технические и технологические.

К техническим относятся методы, дорабатывающие конструкцию трубы температурной стратификации (наличие перфораций, ребер и т.д.). Технологические методы воздействуют на свойства рабочего тела (использование водородо-ксеноновой, водородо-аргоновой и гелий-ксеноновых смесей, двухфазных потоков).

Наличие перфораций между трактом 2 дозвукового течения и трактом 3 сверхзвукового течения (рис. 1, а) позволяет реализовывать вдув-отсос газа между дозвуковым и сверхзвуковым трактами. Эффективность температурной стратификации при отсосе газа из сверхзвукового тракта выше, чем при вдуве [3], что наиболее явно проявляется для газов с малыми числами Прандтля [3]. Применение проницаемой стенки между сверхзвуковым и дозвуковым трактами при использовании трубы температурной стратификации в технических приложениях (например, для нужд регулирования давления газа) представляется возможным, но потребует дополнительных исследований.

Применение продольного оребрения в устройствах температурной стратификации делает возможным повышение эффективности передачи тепла от одного потока к другому. Однако эффективность ребер снижается с увеличением их относительной длины. В системах регулирования давления природного газа [4] применение ребер ограничивается небольшими габаритами регулирующих устройств.

Воздействие на свойства рабочего тела при использовании трубы температурной стратификации в промышленности является достаточно проблематичным. Это связано с тем, что использование водородо-ксеноновой, водородо-аргоновой и гелий-

ксеноновых смесей возможно в лабораторных исследованиях, но существенно ограничено из-за дороговизны смесей для применения в промышленных установках. Использование двухфазных потоков (впрыск жидкости или других дисперсных частиц) значительно повысит эксплуатационные затраты. В некоторых системах, например при регулировании давления природного газа, это может повлиять на теплотворную способность природного газа, привести к выпадению кристаллогидратов. В таком случае, для дальнейшего увеличения передаваемого теплового потока при работе сверхзвуковой трубы температурной стратификации на газе или дисперсном рабочем теле целесообразно в дозвуковом тракте использовать тепловые трубы, выполненные в виде продольных ребер.

В этой связи предлагаемая работа интенсификации газодинамической температурной стратификации за счет использования тепловых труб представляется актуальной и практически значимой.

На (рис. 1, б) показана конструктивная схема трубы температурной стратификации с тепловыми трубами.

Главным достоинством тепловых труб является их достаточно большая эффективная теплопроводность (значительно превышающая теплопроводность металлического проводника тепла). Применение тепловых труб с фитилем дает возможность передавать тепло не только посредством теплопроводности, но и в процессах кипения и конденсации жидкости внутри тепловой трубы (рис. 1, а). В результате происходит интенсификация теплопередачи от дозвукового течения к сверхзвуковому, а эффективность продольных ребер возрастает.

Анализ проведен применительно тепловым трубам с фителем, выполненным в виде прямых плоских продольных ребер (рис. 1, б) постоянной толщины.

Сравнение результатов осуществлялось при наличии тепловых труб, используемых в качестве оребрения на поверхности, разделяющей тракт дозвукового и сверхзвукового течения; и для поверхности без оребрения. В качестве допущения было принято, что коэффициенты теплоотдачи к поверхности тепловых труб и к неоребренной поверхности равны [4]. Коэффициент эффективности тепловой трубы-ребра пр рассчитывался по методике, представленной в работе [4]. Относительный

тепловой поток — = -/-тах (значение -тах рассчитано при а2 =ю , 72 = 0) в сверхзвуковой трубе температурной стратификации определяется выражением

1 _(1 + х^1 м21

- (л \ I 2 21 . (6)

9 = (1 _г)--1-07

-7-Л +

0,5 + пр |^г + 0.5Л 02

Сопротивление теплопередачи для тепловой трубы определялось выражением

^ = XЯм> + Яеу + X ЯрЫт + Яск + Ясоп, (7)

где X Я^, - определяет суммарное сопротивление стенок, Яеу - зоны испарения, X ЯрЫг - фазового перехода, Яс^ - канала, Ясоп - зоны конденсации. Принято допущение, согласно [4], что сопротивление раздела фаз XЯр^г и сопротивление

парового канала пренебрежимо малы.

Сопротивление теплопередачи ребра определялось по стандартной методике. Были проведены экспериментальные исследования эффективности тепловых труб-ребер.

В первом приближении коэффициент теплоотдачи для зоны кипения определялся при допущении наличия развитого пузырькового кипения. В расчете принято, что в качестве рабочей жидкости принята вода, поэтому в расчете использовалась следующая известная зависимость:

/ -5 \0,54

39,3 •( • 10 5)

(1 -4,5 • 10-8 • ps)3

■•Ы2. (8)

Принято допущение, что в зоне конденсации тепловой трубы реализован режим пленочной конденсации пара. Среднее значение коэффициента теплоотдачи на

горизонтальной трубе определялось по формуле

а _ 0,728А* (9)

/ чп0,25 •

dpi ( - ^ре1 ) I

Эффективная теплопроводность тепловой трубы определялась формулой

_ . (10) е Г • Я^

На рис. 2 представлены расчетные значения коэффициентов теплоотдачи для зон кипения, конденсации и паровой фазы тепловой трубы.

Конденсация а=20000

Паровая фаза а=50000

Кипение а=100000

Рис. 2. Распределение коэффициентов теплоотдачи по зонам кипения, конденсации и паровой фазы для тепловой трубы

Коэффициент эффективности пр рассчитывается по формуле, которую для рассматриваемых условий можно записать в виде

Пр _ Л ^, (11)

где Б1 е^ - число Био.

Результаты моделирования для воздуха показана на рис. 3. Расчеты выполнены для значений Рг _ 0,7; Ц _ 0,3; Ие^ _ 0,7 • 106.

Результаты моделирования для двухфазного потока представлены на рис. 3, б. Расчеты проводились для значений у _ 1,4; Рг _ 0,7 (несущая среда - воздух),

( и I

М} _ 0,3; Иет2 _0,7-106, для О _ 10• 10-7 О_-——- обобщенный комплекс,

имеющий смысл критерия подобия, характеризующий влияние конденсированных частиц в потоке).

0.05 0.04 0.03 0.02 0.01

f/ N\

У Г / /

/ / / / ч X ч\ ч

/

q r

0.4

0.2

-L if У / / * ч \ Ч \

1- ( \v

6

М2

М2

а) б)

Рис. 3. Влияние числа Маха и относительной длины тепловой трубы на температурную

стратификацию потока: а) газа; б) двухфазного потока: — - без тепловых труб;------с тепловыми

трубами, относительной длиной I / 5 = 2; - - с тепловыми трубами, относительной длиной

I / 5 = 5;------- с тепловыми трубами, относительной длиной I / 5 = 10

Выводы

Из анализа результатов исследования, представленных на рис. 3, видно, что применение тепловых труб в сверхзвуковой трубе температурной стратификации позволит значительно интенсифицировать процесс теплообмена. Для воздуха повышение эффективности передачи тепла от дозвукового потока к сверхзвуковому потоку составит от 1,86 до 1,96 раза, а для двухфазного потока от 2 до 3 раз в зависимости от относительной длины тепловой трубы.

Работа выполняется при поддержке гранта РФФИ №12-08-31091 мол а «Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации потока за счет использования тепловых труб» и стипендии Президента РФ № СП-406.2012.1 для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики.

q

Summary

The analysis of the use of heat pipes as intensifiers temperature stratification of turbulent flows. It is established that the application of the thermal pipes allows to increase the efficiency of the thermal stratification of up to 3 times.

Keywords: turbulent flow, the thermal stratification, intensification, heat pipes

Литература

1. Леонтьев А. И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков / А. И. Леонтьев // ТВТ. 1997. Т. 35, № 1. С. 157-159.

2. Леонтьев А. И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Докл. РАН. 1997. Т. 354. № 4. С. 475-477.

3. Бурцев С.А., Леонтьев А. И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа // Изв. РАН Энергетика. 2000. №5. С. 101-113.

4. Цынаева АА. О возможностях повышения эффективности работы сверхзвуковой трубы температурной стратификации при использовании тепловых труб / АА. Цынаева, Е.А. Цынаева, Н.Н. Ковальногов // Тепловые процессы в технике. Наука и технологии. М., 2011. С. 380-384.

5. Вигдорович И. И. К теории энергоразделения потока сжимаемого газа / И. И. Вигдорович, А. И. Леонтьев // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2010. № 3. С. 103-109.

6. Цынаева А. А. Исследование изотермического регулятора давления газа на основе вихревой трубы / Н. Н. Ковальногов, А. А. Цынаева, К. В. Няшин, Д. Л. Жуховицкий //ММФ-2008: VI Минский международный форум © Проблемы энергетики, 2013, № 3-4

по тепло- и массообмену (19-23 мая 2008 г): Тез. докл. и сообщ. Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси. Минск, 2008. Т.2. С. 261-263.

Поступила в редакцию 20 декабря 2012 г.

Цынаева Анна Александровна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Самарского государственного архитектурно-строительного университета. Тел.: 8 (937) 6502662. E-mail: a.tsinaeva@rambler.ru.

Цынаева Екатерина Александровна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета. Тел.: 8 (927) 8301906. E-mail: tsinaeva-kate@rambler.ru.

Школин Евгений Владимирович - студент кафедры «Теплоэнергетика» Ульяновского государственного технического университета. Тел.: 8 (908) 4832806. E-mail: shkolin-e@ya.ru.