CC BY
64
УДК 538.244:532.539.5
В. Г. Букин, А. Ю. Кузьмин, Ю. В. Минеев Астраханский государственный технический университет
ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ И ТЕПЛООБМЕНУ ПРИ ТЕЧЕНИИ ДВУХФАЗНЫ1Х ЗАКРУЧЕННЫ1Х ПОТОКОВ
ВНУТРИ ТРУБ
Теплообменные аппараты применяются в авиационной и космической технике, энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, в различных тепловых двигателях. С ростом энергетических мощностей увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов. На их производство расходуется огромное количество легированных и цветных металлов.
Уменьшение массы и габаритов теплообменных аппаратов является актуальной проблемой. Наиболее перспективный путь ее решения - интенсификация теплообмена. Одним из эффективных методов интенсификации в области изменения режимных параметров, характерных для холодильной техники, является применение ленточных турбулизаторов.
Как было выявлено в результате экспериментального исследования [1], главной областью применения ленточных турбулизаторов является ламинарный режим потока, который достаточно часто имеет место в теплообменных аппаратах.
В ленточных турбулизаторах, представляющих собой вставленную в трубу металлическую ленту, скрученную винтом, происходит закручивание потока вокруг его оси. То обстоятельство, что ленточные турбулиза-торы создают макровихри во всем объеме трубы, а не только в пристенном слое, делает их перспективными для ламинарного потока.
Экспериментальные данные [2] по падению давления АР для гладкой трубы (как для водовоздушной смеси, так и для холодильного агента Я407С) достаточно хорошо согласуются с формулой, предложенной в [3]:
АР = С
2
1 + х •
Р-1
Р
(1)
к 0,04 , „ ,, Юр
где с =-о"2Т - общий коэффициент сопротивления трения; Ю0 = —— -
®см , р
скорость циркуляции; юсм = ю0
1 + х •
скорость парожидкост-
ной смеси; р - плотность жидкости; р - плотность пара; х - массовое паросодержание.
2
/
На рис. 1 представлена графическая зависимость экспериментальных и расчетных значений АР от истинного объемного паросодержания ф для гладкой трубы и труб с ленточными турбулизаторами различной геометрии при течении двухфазного водовоздушного потока.
Рис. 1. Зависимость падения давления водовоздушной смеси в трубе от истинного объемного паросодержания при массовом расходе юр = 111 кг/(м2-с)
Как видно из рис. 1, формула (1) достаточно хорошо описывает течение двухфазного потока в горизонтальной трубе, но неприменима для закрученных потоков. Погрешность определения АР по формуле (1) при кипении хладагента R407C в горизонтальной гладкой трубе не превышает 15 % (рис. 2), что вполне приемлемо для инженерных расчетов. Однако для того, чтобы эта зависимость была применима и в интенсифицированной ленточными турбулизаторами трубе, нужно ввести в X безразмерный комплекс, который учитывает влияние массового расхода юр (или критерия Рейнольдса Re) и относительного шага турбулизатора d/s.
В результате обработки экспериментальных данных такой безразмерный комплекс был получен:
к = 55 - Re0,3 -1 d
(2)
Тогда формула для определения АР в интенсифицированной ленточными турбулизаторами трубе примет следующий вид:
АР = (Х + к)-Р-Ю- -- -2d
1 + Х"1 р-1
(3)
2
С
я
ц
Падение давления АР рас, Па
Рис. 2. Сопоставление экспериментальных значений падения давления смесевого холодильного агента Я407С в трубе с рассчитанными по формуле (1)
Сопоставление экспериментальных и расчетных значений падения давления при кипении потока рабочего вещества в горизонтальной трубе с ленточной вставкой (рис. 3) показывает, что погрешность определения АР по формуле (3) лежит в области ± 25 %. Адекватность представленной зависимости подтверждается еще и тем, что линии расчетных и экспериментальных значений АР эквидистантны (рис. 4).
100,00 150,00 200,00
Падение давления АР .ас, Па
Рис. 3. Сопоставление экспериментальных значений падения давления смесевого холодильного агента Я407С в трубе с рассчитанными по формуле (3)
0,00
Массовый расход юр, кг/(м2^с)
Рис. 4. Зависимость падения давления смесевого хладагента R407C в трубе от массового расхода при удельной тепловой нагрузке q = 1,52 кВт/м2, относительном шаге турбулизатора d/s = 0,039 и давлении кипения Р0 = 0,22 МПа
Как показывает анализ результатов экспериментального исследования, для теоретического определения коэффициента теплоотдачи при течении однофазного закрученного потока можно использовать зависимость, предложенную в [4]:
а = - • Nu = 0,3 • Re0,33 • Ргм3 • De0,27 • -. (4)
d d W
На рис. 5 представлено сравнение экспериментальных и рассчитанных по формуле (4) значений коэффициента а при движении воды в гори-
зонтальной гладкой трубе и с турбулизатором. Из данного графика видно, что представленная зависимость хорошо описывает опытные данные и максимальная погрешность не превышает 24 %. Однако формула (4) не применима для двухфазного потока, т. к. не учитывает фактор парообразования и не зависит от величины паросодержания. Поэтому для того, чтобы данное уравнение было применимо и для расчета двухфазного, закрученного с помощью ленточного турбулизатора потока, необходимо в него ввести комплекс, учитывающий влияние истинного объемного паросодержания.
4 000 6 000 8 000 10 000 2 12 000 14 000
Удельная тепловая нагрузка, Вт/м2
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплоотдачи при течении водовоздушного потока в трубе от истинного объемного паросодержания при массовом расходе юр = 33 кг/(м2-с)
В результате обработки экспериментальных данных такой безразмерный комплекс был получен. Однако описать этот коэффициент единой формулой во всем диапазоне изменения истинного объемного паросодержания не представляется возможным, т. к. степень влияния параметра ф различна. В связи с этим были предложены две зависимости для определения т:
т = 0,035 • Яе°,36 • (1 + ф)8,5 при 0,5 < ф < 0,64; (5)
т = 0,148 • Яе0,37 -(1 + ф)5 при 0,64 < ф < 0,9. (6)
Тогда формула для определения критерия Нуссельта в интенсифицированной ленточными турбулизаторами трубе примет следующий вид:
№ = 0,011- Яе0,36 • Рг0,43 • Бе0,27 • (1 + ф)8,5 при 0,5 < ф < 0,64; (7)
Ш = 0,044 • Яе0,37 • Рг0,43 • Бе0,27 • (1 + ф)5 при 0,64 < ф < 0,9. (8)
Сопоставление экспериментальных и расчетных значений критерия Нуссельта при кипении смеси Я407С в горизонтальной трубе с ленточной вставкой (рис. 6, 7) показывает, что погрешность определения Ки по формулам (7), (8) лежит в области ± 25 %.
Ми расч
Рис. 6. Сопоставление экспериментальных значений критерия № смесевого холодильного агента Я407С в трубе при 0,5 < ф < 0,64 с рассчитанными по формуле (7)
Ми расч
Рис. 7. Сопоставление экспериментальных значений критерия № смесевого холодильного агента Я407С в трубе при 0,64 < ф < 0,9 с рассчитанными по формуле (8)
По результатам исследований можно сделать вывод, что применение ленточных турбулизаторов является эффективным средством повышения коэффициента теплоотдачи при течении двухфазных потоков внутри горизонтальных труб в диапазоне изменения режимных параметров, характерных для холодильной техники. При этом величину падения давления в трубе с ленточным турбулизатором можно описать формулой (1) для гладкой трубы с введением поправочного коэффициента (2), имеющего критериальный вид, а следовательно, применимого для любых условий протекания процесса. Аналогичным образом, критерий Нуссельта при течении двухфазных потоков внутри горизонтальной трубы с ленточной вставкой можно определить по уравнениям (7) и (8), которые содержат поправочные коэффициенты (5) и (6), зависящие, в свою очередь, от истинного объемного паросодержания.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Минеев Ю. В., Букин В. Г., Кузьмин А. Ю. Исследование влияния турбулизато-ров на гидродинамику двухфазного потока при его вынужденном движении внутри горизонтальных труб // XXIV Российская школа по проблемам науки и технологии, посвященная 80-летию со дня рождения академика
B. П. Макеева: Краткие сообщ. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - С. 108-111.
2. Букин В. Г., Кузьмин А. Ю., Минеев Ю. В. Экспериментальное исследование эффективности применения ленточных турбулизаторов при кипении альтернативных холодильных агентов в горизонтальных трубах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 2. - С. 176-183.
3. Кутепов А. М., Стерман Л. С., Стюшин Н. Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. - М.: Пищ. пром-сть, 1977. - 368 с.
4. Щукин В. К. Обобщение опытных данных по теплоотдаче в трубах с ленточными завихрителями // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1967. - № 2. -
C. 119-126.
Получено 12.09.2006
GENERALIZATION OF EXPERIMENTAL DATA ON HYDRODYNAMICS AND HEAT EXCHANGE AT BIPHASIC SWIRLING FLOWS MOVEMENTS INSIDE PIPES
V. G. Bukhin, A. Yu. Kuzmin, Yu. V. Mineev
Nowadays the decrease of mass and dimensions of heat-exchange apparatus is an actual problem. The most perspective solution of this problem is the intensification of heat transfer. One of the effective methods of intensification in the field of regime parameters change, that is typical for refrigeration engineering, is the application of tape turbulence promoters. However their distribution is greatly prevented by the absence of reliable dependences for the process description that takes place in a pipe with a tape insertion. As a result of the research, the paper shows empirical dependences for calculation of pressure drop and heat transfer coefficient at biphasic flows inside pipes have and their error.
