CC BY
13
УДК 621.56
ИССЛ ЕДОВАНИЕ кон вкктивного ТЕПЛООБМЕНА В МОДЕЛЯХ ВИХРЕВЫХ КАМЕР
АХ. Л am кич (НИ1ГЦДКО РАН)
Приводится описание конструкции экспериментального стенда и обсуждаются (нг-зультаты исследований теплообмена в моделях вихревых камер при движении горячего oos-духа с розничными относительными площадями ввода и вариациями генерации структуры потока в рабочем объеме моделей.
The article deafs with the constructions of experimental stand and consider* the results of studies of heat exchange in models of vortical cameras < luring the traffic of hot air under different relative areas of inlet and variants of generations of flow structure in wv/rA/n# volume of models,
Высокие удельные показатели вихревых процессов определяются интенсивностью тепло- и массообмепа в вихревой камере между воздухом (или газами) и каплями или частицами материала. подвергаемого какому-либо технологическому процессу. Исследование теплообмена при изучении рабочею процесса и вихревой камере позволяет получить значения коэффициентов теплообмена при различных режимно-коиструктивньгх параметрах устройств, которые необходимы для создания методик расчета технологическою оборудования За последние три десятилетня в литературе появились публикации, посвященные исследованию конвективного тсплооб
мена и закрученном потоке воздуха в трубах и вихревых устройствах [13] Результаты этих работ указывают на высокую интенсивность конвективного теплообмена в вихревых устройствах, ею заметную роль и суммарном теплообмене при ведении технологическою процесса. Однако эти методы расчета применимы либо к длинным трубам, либо только к тем камерам, на которых проводились опыты.
'Экспериментальные исследования конвективного теплообмена в вихревых камерах начаты в 1986 г. на базе отдела комплексною использования минерального сырья Института горного дела ДВНЦ АН СССР |4^ Исследования конвективного теплообмена на стенке вихревой камеры при охлаждении горячею воздуха проводились на специальном стенде, схема которого представлена на рис. 1. Маїериальї сгагьи основаны на результатах исследований, которые не были проанализированы в 1987 г. В следующем году основные узлы стенда были перевезены и г. Пеіропав-ловск-Квмчатский. На основании их смонтирован шіхревой стенд для исследований на начальном этапе теплообмена при конденсации пари [5. 6— 10]. В дальнейшем планируется совершенствование етенда для проведения исследований тепло- и массообмсна при прохождении химических реакпий в условиях активных гидродинамических режимов,
Оиисанис установки н методика проведення экспериментов
Эксперименты по исследованию конвективного теплообмена проводились на стенде, принципиальная схема которого представлена на рис. 1. Рабочий воздух подавался высоконапорным вентилятором ЛЦС-850 1 в систему грубопроводов 2. Расходы воздуха регулировались шиберными заслонками і. Паї реи воздуха { до 400І!С) осуществлялся в нагревательном патроне 7. Расходы воздуха по трубопроводам измерялись при помощи трубок І Іраидтля и микроманометра 5. Пройдя через систему трубопроводов .? и нагревательный патрон 4, горячий воздух поступал в рабочий объем модели вихревого устройства б. Модели вихревых устройств 6 собирались из от-дсльных узлов, представленных на рис. 2. Модели камер выполнены в виде водяного калориметра. Горячий воздух поступает в модель через шлицы тангенциально. Затем, охладившись там, ои поступає» в смеситель 7, откуда удаляется непосредственно за пределы помещения лаборатории через патрубок Н, Температура горячего воздуха регулировалась степенью нагрева нихромовых спиралей в нагревательном патроне 4 при помощи реостата /У.
Рис I Принципиальная схема стенда Оля исследования конвективного теплообмена при охлаждении «оуд’.уа на стенке вихревой ка.иеры
Перепад іемпераіур воды на входе и выходе из кожуха и темпериіура воздуха перед шлицами, на стенках и в рабочем объеме моделей вихревых устройств замерялись нихром-константановыми термопарами, расположение которых в модели представлено на рис. 2 (поз. 4), с помощью переключателя V и микровольтметра 10, Точності, замеров при этом с учетом градуировки составляет 0,1°С. Однако при измерении гемпературы воздуха большая неточность могла быть допущена за ечеі неравномерности поля темнераіур но сечению шлицы Для пре-догврашения этою патрубок и вся установка были заключены в теплоизоляционную рубашку. Паїрубки от маїревател ыкио наїрона 4 до модели 6 вместе с узлами танюнииальной закрутки
воздуха теплоизолировались вспененным силикатом натрия толщиной 50 мм. Цилиндрические вставки модели изолпровались шнуровым асбестом толщиной 50 мм и обклеивались сіеклотка-ныо.Смеситель 7\ изготовленный из листовой жесги, изолировался пенопластом толщиной 25 мм.
Ввиду больших скоростей воздуха и шлние вводилась поправка на температуру торможения с учетом коэффициента восстановления іермонриемника но методике, представленной в работе 16], Расход воды, протекшей чере» кожух циклона за время опыта, измерялся взвешиванием. Вода н систему охлаждения поступала из напорного бака непрерывным сливом при постоянном уровне волы в баке, чем обеспечивалась стабильность водяного напора во время опыта. Расход воды регулировался таким образом, чтобы абсолютная величина перепала температур между окружающей средой и водой на входе и выходе из кожуха была одинаковой. Дополнительно с изоляцией кожуха яим обеспечивалось значительное уменьшение тепловых потерь по воде. Модели вихревых камер собирались из трех видов узлов (рис. 2). Вращение потока горячего воздуха осуществлялось при помощи двух вихревых головок (торцевой / и мобильной 2). Каждая головка имеет два тангенциально раепаюженных прямоугольных входа ссчсннсм 20 х 45 мм (площадь сопла ^ = 900 мм*; эквивалентный радиус сопла гцй = 16,9 мм; суммарная площадь сопел одной обоймы 5ь; = 1 800 мм’), Корпуса моделей собирались из отдельных цилиндрических вставок 3 в количестве от одной до четырех. Каждая вставка представляет собой теплоизолированную цилиндрическую обойму с рубашкой охлаждения и встроенными термопарами. Для соединения с сопловыми обоймами и другими секциями каждая из них оснащена развитыми бортами, играющими роль фланцевых соединений. Расположение термопар 4 в модели представлено на рис. 2. Значения основных размеров узлов вихревых камер и се некоторые дополни тельные размерности приведены в таблице.
1
3
Рис. 2. Умы тсфеят уетановки м схема расстановки термопар: ( торцеею» вихревая головка:
2 .шіїмлмая та/н-пам гадоакуу 3 ии^инОринескад вставка: 4 схема расстановки терио/юр чи сЫкмк.чыл вставках ('чеугтежи выполнены аспирантам А.Р Яямй-юергим нй оспоаимии жжизириканим суи(ествукиі(ия умов) [5}
Процесс теплообмена в моделях происходит в стационарных условиях при практически неизменных величинах температуры и расходов воды и воздуха, что достигается прогревом установки на режиме опыта в течение одного часа. В ходе экспериментов изменялись следующие параметры моделей: площади ввода потока (за счет установок различного количества вихревых головок и пластинчатых вставок в тангенциальные шлицы): размеры модели (за счет вариации количества цилиндрических вегавок): сірукіура закрученного погона в результате различной ориентации вихревых головок: температура рабочего воздуха.
і и'О.МІЧІІ
Кпнгтруктнпимг пярямгтры уііІІНІ ЧОЛЛП'Й
Параметр Раїмсрноігі'ь ОГюшачсинс Величина
Высота секции мм 1> 220
ВЫСОГ.4 і|>ЛІІІІГЮ мм А* 20
Внутренний дмамеїр секции мм »- 200
1 Іаружш.ій дмамеїр секции мм Ош* 250
Диаметр флпнцея мм О*. Ш
Высот расположения іермонар мм *'т Ш
Уі о.і между термопарами Т5 и Гб І ла і <*л 20
Угол между термопарами ТІ6- Г20 ірад 72
Высота расно.мжсгмх жщиных трубок мм ;-п. 50
Длніи яоданых грубок мм ІП 60
Наружный лиаметр «уштых трубок мм І 1
Внутренний диаметр волиных іруСнж мм 12
УічХіі между водяными трубками 'Р'Т’І О. 180
Донна ло места установки термопары на воляноЯ трубке мм /. за
Диаметр расположении крепежных отверешй мм гяп
Диаметр крепежных отверстий мм ‘^р-1 10
Угол между крепежными ОТйСреіИНМИ фад 1211
1 ІЛОНІДДІ. оечеиии секции см 314,16
Внутренний объем секты ем4 6911,5
ІІлопииі. внутренней поверхности ССМ1НН см* і І82;$
Объем жідяім>К намети секции а *мч ..
Ирилч'чание. І ііГі.жна иышмнасд асимрангам Л Iі. Ляіідіііері ічм на осмпианми обмера сущеегвуиипих уишн 151,
Методика расчета
Исследования процесса теплообмена проводились на различных моделях вихревых камер, характеризуемых определенной структурой потока к рабочем объеме. Как уже указывалось, в опытах наблюдался процесс теплоотдачи от воздушного вихря в моделях вихревых камер к охлаждаемым водой стенкам. Коэффициент теплоотдачи в этом случае выражается через тепловой ноток </. поверхность стенок д/>/. и температурный напор между воздушным вихрем и стенкой следующим образом:
а = у і я/)£ (/, - /2), (1)
іде і\ и 12 — средние температуры воздушного вихря и стенки цилиндрической вставки.
Количество тепла </, полученное стенкой от воздушного вихря и переданное через нее охлаждающей воде, рассчитывалось по расход)1 и перепад)' температур воды и сопоставлялось д.чи контроля с количеством тепла, отданным воздухом. За среднюю температуру воздуха вихря принималась средняя арифметическая температур воздуха на входе и выходе из цилиндрической не ганки на расстоянии 20 мм пт стенки камеры (Т1—13; ТЗ—Т5; Т5-Т7; Т7-Т9). Средняя температура стенки находилась как средняя арифметическая от показаний термопар, впрессованных в стснку цилиндрической нставки на глубину I мм на се входе и выходе (Т2-Т4; Т4-Т6; Гб Т8: 18- ПО).
Структура иегтока в рабочих объемах моделей оценивалась критерием Россби {Ко)\
(2)
где А - Ъ/ы і лШ. безразмерная площадь ввода потока (X/-,» суммарная плошадь ввода потока): Г = р, 2 і ({Л,2 + - безразмерное соотношение секундных расходов через торцевую или
мобильну ю головки; Д /. - диаметр и длина модели; (I = (1\ / О безразмерный диаметр выходного пережима; </ —диаметр выходного пережима.
Кроме этого, производилась обработка экспериментальных данных в традиционной форме:
,\и “//??). (3)
где Ыи = а/) / К Не = У\„Р / V - критерии Нусссльдта и Рейнольдса; Ут - средняя скорость ввода потока в модель вихревой камеры: V. л - коэффициенты кинематической вязкости и теплопроводности для воздуха при термодинамических параметрах условий ввода потока в камеру
В зависимости оп точности проводимых в опытах замеров ошибка при подсчете величин а и Ко не превышает #%.
Результаты опытов и и\ обсуждение
Были проведены опыты на трех моделях с гладкими стенками с различными схемами генерации потока в рабочем объеме вихревых камер при варьируемых площадях ввода воздуха, В каждом случае скорость воздуха на входе в камеру изменялась от 10 до 80 м/с (10 20 опытов). Температура подаваемою воздуха составляла 100 ... 400°С, нагрев воды в кожухе— 15 ... 804 , температурный напор между воздушным вихрем и стенкой 82 ... 320г\\ Результаты этих опытов представлены на рис. 3 в виде зависимости а от Ко.
Как видно из графика, в пройденном интервале Ко = 0,0002 ... 0.008 экспериментальные точки группируются вдоль трех линий, соответствующих камерам различной длины. Математи-чсская обработка данных позволяет получить обобщающую зависимость в виде
<х = 1 324Яг/'(200/Г). (4)
где V = /. / 220 - безразмерная длина модели, или число цилиндрических вставок.
Распределение экспериментальных точек на рис. 3 показывает, что принятый вид критерия Россби не позволяет получить однозначную зависимость коэффициента теплообмена от структуры потока.
а. 0т/(м2- К) - • ■ » • ■ « • ■
* - • ■
N • ■
•• • ■
_ - • ■
Но
і 0,002 0.004 1 Г 1 0,006 о.ии»
Рис Д. Ъитсымость течений коэффициента тешаотоачи а от величины критерия Россби Но (■I-перимс/1 тияышс значения коэффициента тепяоотдачы с камерахг ■ — I. - .им.
• - £ - 660 мм, и — I. - 440мм)
Обработка результатов исследований в виде Аги = ДЯе) также не позволяет получить однозначную зависимость (рис. 4). В этом случае прослеживается тенденция распределения экспери-
ментальных точек на две области: спугно и встречно-взаимодействующих потоков Математическая обработка экспериментальных данных позволяет получить обобщающие зависимости в виде
Л/ые 0,196 Яе0'92, (5)
Л'ы = 0,163Ке"'м. (6)
Уравнение (5) —для камер со структурой потока на основе спутновзанмодействукнцих ноюков, уравнение (6) для взаимодействующих потоков противоположной закрутки (встрсчно-взанмодснетвующих).
Па рис. 4 зоны распределения экспериментальных точек разделены тонкими линиями. Дна-лиз экспериментальных данных показывает, что при одинаковых условиях ввода потока в камеру модели теплообмен в ней зависит как от характеристик потока, так и от его структуры. Поэтому при расчете вихревых устройств необходимо это учитывать,
Анализ полученных результатов показывает, что интенсивность теплообмена при увеличении степени турбулентности потока (что связано со с груму рой потока в рабочем объеме модели технологического устройства) возрастает в несколько раз.
Нис 4 График хшисимости \и - /{Не) <Ш рамичнЫДГ модехей нихревнх камер:
І ннш распределения жстерымептахьпых точек Ом модем й со структури потока а ра&пчем объеме, организованной на основании енртнозанрученных лтаииодеістмуюиро! потакає.
II зона распределения экспериментальных точек Лиг моОехей со м.щ/ечмовлаимоОеионеукмчм.хи закрученными потоками. III ■зкепериментшьнш данные й<м іакру(енного потока в длинных трубах (31
Созданный экспериментальный стснд дает возможность вести исследования бол ос сложных задач, как. например, исследование теплообмена при конденсации пара. Учитывая высокий энергетический потенциал, для решения этой проблемы, в отличие ог устройства для охлаждения газа, необходим более совершенный отвод тепла ог корпуса конденсатора
Выводы
1. Создан экспериментальный стенд для исследования теплообмена в моделях камер с раз-лнчной структурой потока в рабочем объеме.
2. Проведено исследование конвективного теплообмена на моделях вихревых камер при различных относительных площадях ввода воздуха и вариантах генерации структуры потока в рабочем объеме моделей. Получены значения коэффициентов теплоотдачи и диапазоне скоростей на входе в камеры ог 10 до 80 м/с.
3. Результаты проведенных опытов для гладкостеиных камер можно аппроксимировать критериальными зависимостями (5) и (6).
4. Сравнение полученных результатов с исследованиями теплоотдачи в других устройствах показывает, что в вихревых аппаратах интенсивность теплоотдачи в несколько раз выше, чем в закрученном потоке в длинных трубах.
5. Результаты исследования покалывают, чго увеличение степени кратки потока в рабочем объеме вихревого устройства приводит к возрастанию конвективного теплообмена в нем.
Ь. Созданный экспериментапьный стснд даст возможность весги исследования более сложных задач. как, например, исследование теплообмена при конденсации пара.
Литература
1. Рябых /І.Г. Исследование гидродинамики и теплообмена в аппаратах с закрученными потоками газа и жидкости: Двгореф. дне.... канд. гехн. наук. - Одесса: Политехи, ин-т, 1974. 20 с.
2. Дементьева КН., Телегина НИ. Экспериментальное исследование гидродинамики н теплообмена в криволинейных каналах. - М.: Теплоэнергетика. 1979, — М 1. - С. 51-М.
3. Щукин НК Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение. 1980. - 240 с.
4. Латки» А.С, Вихревые аппараты для технолої ичееких процессов. - Владивосток: Дал ьнаука. 1989. 248 с.
5. Ляндлберг А.Р. Разработка рациональной технологии комплексного извлечения полез-
ных компонентов при переработке высокотемпературных геотермальных флюидов: Дне. ... канд. техн. наук. - Чита, 2002. 177 с.
6. Преображенский П.П. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Гоонергоилдвт, 197И. — 247 с.
7. Ляндзберг А.Р., Латким АС. Модификация технологических схем комплексной перера-бопси геотермальных флюдов // Вестник КамчагГТУ. 2002. X® 1 204 е.
8. Ляндзберг А Р., Латкт А.С. Методики инженерного расчета вихревого конденсатора-сепаратора И И:ш. нузов: Техн. науки. 11рил. 4). - Новочеркасск: ИГУ, 2004. С. 82 90.
У. Ляндзберг А.Р., Латки» А С. Вихревые теплообменники и конденсация в закрученном потоке: Монография. - Петропавловск-Камчатский: КамчатПУ, 2004. - 150 с.
10. Латким А.С., Лнндмер.' А.Р.. Секист Г В. Исследование теплообмена при конденсационных методах обо ашения И ФТППИ. - 2004. ^6. С. 18 25.
