Научная статья на тему 'Методика экспериментального исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате'

Методика экспериментального исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
94
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Пантелеева Л. Р., Золотоносов Я. Д., Смирнова Л. А.

Приведено описание экспериментальной установки и методики исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате с вращающейся трубой типа «конфузор-диффузор».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Пантелеева Л. Р., Золотоносов Я. Д., Смирнова Л. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Technique of an experimental research of convective heat transfer in the rotational vehicle

The description of the experimental installation and technique of research of convective heat transfer in the rotational vehicle with a rotated converging-diverging flow channel is adduced.

Текст научной работы на тему «Методика экспериментального исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате»

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В РОТАЦИОННОМ АППАРАТЕ

Л.Р. ПАНТЕЛЕЕВА, Я.Д. ЗОЛОТОНОСОВ, Л.А. СМИРНОВА

Казанский государственный энергетический университет

Приведено описание экспериментальной установки и методики исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате с вращающейся трубой типа «конфузор-диффузор».

Исследования конвективного теплообмена во вращающихся каналах достаточно полно освящены в литературе [1,2]. Однако данные, касающиеся определения коэффициентов теплоотдачи в условиях ламинарного течения вязкой жидкости для вращающихся каналов сложной конфигурации типа «конфузор-диффузор», в литературных источниках отсутствуют.

Целью данной работы является разработка методики экспериментального исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате с вращающейся трубой типа «конфузор-диффузор».

Для определения основных закономерностей процессов теплообмена между жидкостью и паром в поле центробежных сил была разработана и смонтирована специальная экспериментальная установка (рис.1).

Основным элементом установки является теплообменник с вращающейся рабочей поверхностью типа «труба в трубе». Внешняя труба 1, диаметром 51 мм, толщиной стенки 2,5 мм и длиной 1520 мм, выполнена из нержавеющей стали. Внутренним элементом теплообменника является аксиально вращающаяся труба

2 конфузорно-диффузорного типа длиной 1520 мм и с толщиной стенки 1мм. Для проведения эксперимента труба 2 выполняется в трех вариантах: из стали; латуни; меди. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду поверхность теплообменника покрыта тепловой изоляцией 3. Вращение внутренней трубы обеспечивается с помощью клиноременной передачи от электродвигателя. В целях исключения вибраций при вращении труба 2 теплообменника монтируется на двух внешних опорах в длинных подшипниковых узлах 4, а внутри трубы 1 - фиксируется на трех фасонных втулках 5, выполненных из фторопласта.

Вода из магистрали подается через уравнительный бачок, снабженный переливом и перемешивающим устройством для обеспечения равномерного распределения температуры жидкости по объему. Для нагрева и поддержания постоянства температуры жидкости в бачке установлены ТЭН и терморегулятор 26. Циркуляция жидкости осуществляется циркуляционным насосом. Вода поступает во вращающийся канал 2 через патрубок 6. Для создания равномерного поля скоростей в потоке перед входом в проточную часть канала 2 установлена распределительная решетка. Вывод воды из трубы 2 осуществляется через патрубок 7.

© Л. Р. Пантелеева, Я.Д. Золотоносов, Л. А Смирнова Проблемы энергетики, 2004, № 7-8

Вода

тап]

9 10

1516

\

1314

1718

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

*

%

*

*

21 22 23 24 25 26 27 28

4

I

§

з

I

(27) (%Р (Е) @г) Gй) (&-г) См) С *)

(2

г

Ш-2/ мАу \Jg-g УЛрУ \Д 37 V У

.Л2_

/5

Микрокоординатник

Рис.1 Схема экспериментальной установки А - фрагмент трубы 2, В-В - сечение трубы со схемой компоновки термопар

Из парогенератора через патрубок 8 (9) в межтрубное пространство противотоком (прямотоком) движению жидкости подается насыщенный пар

(120° С), который отводится из канала через патрубок 9 (8).

Расходы воды и пара замеряются с помощью диафрагм ДКС 0,6-20 (23, 24) укомплектованных измерительными преобразователями «САПФИР 22ДД» модели 2430 погрешностью ± 0,25 %, блоками питания, преобразования и корнеизвлечения БПК-40. Показания расходов с БПК-40 подаются на показывающие самописцы РП-160-09 погрешностью ± 0,5 %.

Для замера давления воды на входе и выходе из трубы 2 используются преобразователи МИДА-ДН-01П (1, 21) с пределом измерения 0-0,6 МПа и погрешностью ± 0,5 %, укомплектованные показывающим прибором РП-160МП1-09 погрешностью ± 0,1 %.

Для измерения входных и выходных значений температур воды и пара используются термометры сопротивления ТСМ 50М (2, 19, 20, 28) погрешностью ±

0,25 %. Данные результатов измерения регистрируются показывающим прибором РП-160М1-20 погрешностью ± 0,1 %.

Температуры внешней стенки трубы 2 и температуры пара в ядре потока измеряются железно-константановыми термопарами ТЖК(Л) (3-18),

установленными в специальных щтуцерах 10-13, смонтированных на внешней стенке неподвижной трубы, и комплектуются вторичным прибором УКТ-38 фирмы “ОВЕН”, погрешностью ± 0,5 %, с восемью входами для подключения датчиков. Термопары ТЖК^) (4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) устанавливаются в ядре потока межтрубного пространства и фиксируются в таком положении с помощью микрокоординатника. Термопары ТЖК^) (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) в случае неподвижной трубы 2 плотно прижимаются к ее поверхности, а в случае вращения трубы 2 устанавливаются с помощью микрокоординатника на расстоянии 0,01 мм от ее поверхности и фиксируются в таком положении.

Измерение температуры воды в центре проточной части канала 2 производится железно-константановой термопарой ТЖК^) (27), смонтированной на натянутой струне 14 и перемещающейся вдоль оси трубы. Положение термопары в струне фиксируется с помощью микрокоординатника. Это позволяет сканировать параметры температур вдоль всей оси проточной части канала 2.

Скорость вращения трубы 2 замеряется маркерным бесконтактным датчиком ОПД-18М-1МР (22) и регистрируется счетчиком импульсов СИ-8 (0,1 мс, 8000 Гц) в диапазоне от 200 до 2000 об/мин.

Методика эксперимента состоит в следующем. В каналы 1, 2 соответственно подаются пар и вода. По достижении стационарного режима работы установки, который в эксперименте считается достигнутым после 3-4 кратной смены объемов воды и пара в проточной части каналов, при заданной скорости вращения и определенных расходах воды и пара одновременно замеряются давление воды на входе и выходе из трубы, температура воды и пара, температура стенки трубы 2.

» »»

Обозначим температуры пара на входе Тп и выходе Тп ; температуры пара Ты и тЩ (1=1..4), измеренные с помощью термопар (4, 6), (8, 10), (12, 14), (16, 18); температуры внешней стенки трубы 2 01 и ©(г = 1..4), измеренные с помощью

» »»

термопар (3, 5), (7, 9), (11, 13), (15, 17); температуры воды на входе Т и выходе Т ; массовые расходы пара Оп и воды О.

Площадь внешней поверхности теплообмена F определяется по выражению

F = п(Rq - rQ + 2h(Rq — r0 ))(пд sin у д + nK sin у K),

где Пд и пк - количество диффузорных и конфузорных элементов в канале. Среднюю температуру пара находим как среднюю арифметическую:

4

Тп,с, = (Т'п +Z0,5(Тп' + T"i ) + Т»)'*. i=1

Среднюю температуру поверхности F определяем как средневзвешенную

[3,4]:

4

© ср = 2 0,5(01 + © I )Fi / F, i=1

где Fi - часть поверхности F, содержащая i-ое сечение.

Среднюю температуру воды находим по формуле [3,4]

Тср = Тп,ср — A^log,

где A7j0g - среднелогарифмический температурный напор между паром и водой при противотоке:

ft t » »»

(Тп — Т) — (Тп — Т)

ATlog =---------------5-;----

Т — Т , 1п 1

ln —-------

T - T n

и прямотоке:

» »

(Tn - T ) - (Tn - T )

»» »»

ATlog ="

ln

T - T n

»» »» T - T n

Тепловой поток, переданный от пара к воде, находим по уравнению

О-п = Опг,

где удельная теплота парообразования г определяется по средней температуре Т

*п,ср'

Для контроля теплового баланса количество переданного тепла определяется также по изменению температуры воды:

»» » й = аср (т — т),

где удельная теплоемкость воды Ср определяется по средней температуре ТСр.

Средний коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубы 2 определим как

йп

¥ (Ти,ср 0 ср )

Коэффициент теплопередачи теплообменника, отнесенный к внутренней поверхности трубы ¥ (при к = 0), вычисляем по уравнению [4]

йп

¥ДТ,

Тогда средний коэффициент теплоотдачи от стенки к воде а находим из соотношения

а = -

1

dэ dэ dэ

э э 1п э э

к 2Хс d э а ивэ

где d э, Бэ — внутренний и наружный эквивалентные диаметры трубы 2.

Полученные экспериментально значения температур пара и среднего коэффициента теплоотдачи от пара к стенке трубы 2 позволят рассчитать поле температур жидкости в проточной части канала и стенки вращающейся трубы по раннее разработанной математической модели конвективного теплообмена [5]. Проверка адекватности математической модели реальному процессу проводится по экспериментальным значениям температур в центре проточной части канала 2

путем их сравнения с расчетными значениями температур на оси ^0 [5].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Обработка результатов исследования конвективного теплообмена производится в форме безразмерной зависимости вида

Ии = ЛИ4 Яеп Ргт

( и 'к

Рг

Ргс

ч с У

Рг =----отнесены к

а

.. ЮГ0 аdэ 4G

где N =---------число закрутки; Ии =----------, Ке =--------

и0 ^ ж э

средней температуре воды Тср, РгС — к средней температуре стенки 0ср.

Постоянные в приведенном выше критериальном уравнении находятся методом последовательного приближения таким образом, чтобы при построении зависимостей соответствующих комплексов от каждого из четырех аргументов отклонения опытных точек от осредняющих кривых были бы наименьшими.

к

По измеренному перепаду давления Др вычисляется коэффициент гидравлического сопротивления £ :

2 5 п d э 2 АР

£ =----— g Р—^,

S 8L G 2 ’

который может быть использован для исследования полной теплогидродинамической эффективности вращающегося волнистого канала.

Обозначения

ro, Rq — наименьший и наибольший радиусы волнистого канала 2;

Y й, Y к — углы конусности диффузора и конфузора;

н

L - длина трубы 2; h =-----(H - толщина стенки канала 2, Y = Y д — в диффузоре,

cos y

Y = Y к — в конфузоре);

а — угловая скорость вращения; uq — начальная скорость воды;

X ж, X c — коэффициенты теплопроводности воды и стенки канала 2;

ц, v — коэффициенты динамической и кинематической вязкости;

g - ускорение свободного падения; a - коэффициент температуропроводности; р — плотность.

Summary

The description of the experimental installation and technique of research of convective heat transfer in the rotational vehicle with a rotated converging-diverging flow channel is adduced.

Литература

1. Авраменко А.А., Шевчук И.В., Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в

полях центробежных массовых сил. - Киев: Наук.думка, 1996. - Том 2. -

228 с.

2. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. - М.: Машиностроение, 1970. - 240 с.

3. Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М-Л.: ГЭИ, 1956. - 392 с.

4. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. -

М.: Энергия, 1979. - 319 с.

5. Пантелеева Л.Р., Золотоносов Я.Д. Математическая модель и алгоритм численной реализации конвективного теплообмена в аппарате с вращающейся рабочей поверхностью // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2003. - №1-2. - С.25-32.

Поступила 27.07.2004

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.