ПЛЕНОЧНЫЙ РЕЖИМ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В СИСТЕМЕ "ТРУБА С ВНУТРЕННИМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛОТЫ - ЖИДКОСТЬ" КАК СРЕДСТВО ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.24 А.А. Багаев, С.О. Бобровский

A.A. Bagayev, S.O. Bobrovsky

ПЛЕНОЧНЫЙ РЕЖИМ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В СИСТЕМЕ «ТРУБА С ВНУТРЕННИМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛОТЫ - ЖИДКОСТЬ» КАК СРЕДСТВО ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

FILM MODE OF LIQUID OUTFLOW IN THE «PIPE WITH INTERNAL HEAT SOURCE - LIQUID» SYSTEM AS A MEANS OF HEAT EXCHANGE INTENSIFICATION

Ключевые слова: теплообмен, критерий Рей-нольдса, турбулентный режим, число Прандтля, нагреваемая среда, число Нуссельта.

Косвенный электрический нагрев сопротивлением в сельском хозяйстве широко применяется для нагрева газообразных и жидких сред, например, воды и молока. Указанную систему можно отнести к нагревателям с наличием внутренних источников теплоты, когда тепловая энергия в нагревательном элементе выделяется при протекании электрического тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца. Одной из проблем подобных систем является недостаточная интенсивность тепло-обменных процессов (невысокие значения критерия Рейнольдса, числа Нуссельта, коэффициента теплообмена, коэффициента теплопередачи), что связано с увеличением площади поверхности теплопередачи и значительными геометрическими размерами. В известной системе типа «труба с внутренним источником теплоты в диэлектрической трубе» трубы образуют 2 канала: центральный цилиндрический и кольцевой. В этой системе в центральном канале обеспечивается турбулентный режим течения нагреваемой среды, в кольцевом - ламинарный. Указанное обстоятельство не способствует интенсификации теплообмена и уменьшению геометрических размеров устройства. В связи с этим требуется поиск решений, обеспечивающих интенсификацию теплообмена. Установлено, что при одинаковом турбулентном режиме течения нагреваемой жидкости система «труба с внутренними источниками теплоты - пленка нагреваемой жидкости» обладает более высокими теплообменными характеристиками (увеличиваются численные значения критерия

Рейнольдса, числа Нуссельта, коэффициента теплообмена, коэффициента теплопередачи), меньшей площадью поверхности нагрева и числом труб теплообменника. Данная система может являться одним из средств интенсификации теплообмена в нагревательных устройствах. Применение пленочного истечения целесообразно при нагреве органических жидкостей, в процессе которого возможно разложение органических веществ. Аналогичные термические процессы следует осуществлять при малых значениях тепловых потоков и малого температурного напора.

Keywords: heat exchange, the Reynolds criterion, turbulent mode, Prandtle number, heated medium, Nusselt number.

Indirect electrical resistance heating is widely used to heat gaseous and liquid media, such as water and milk. This system can be attributed to heaters with the presence of internal heat sources, when the thermal energy in the heating element is released when an electric current flows in accordance with the Joule-Lenz law. One of the problems of such systems is the insufficient intensity of heat exchange processes (low values of the Reynolds criterion, the Nusselt number, the heat exchange coefficient, the heat transfer coefficient), which is associated with an increase in the heat transfer surface area and significant geometric dimensions. In the well-known system of the «pipe with an internal heat source in a dielectric pipe» type, the pipes form two channels: a central cylindrical channel and an annular channel. In this system, a turbulent flow of the heated medium is provided in the central channel, and a laminar flow is provided in the annular channel. This cir-

cumstance does not contribute to the intensification of heat exchange and the reduction of the geometric dimensions of the device. In this regard, it is necessary to search for solutions that ensure the intensification of heat exchange. It was determined that for the same turbulent flow regime of the heated liquid, the system «pipe with internal heat sources - the film of the heated liquid» has higher heat exchange characteristics (the numerical values of the Reynolds criterion, the Nusselt number, the heat transfer

ч

Багаев Андрей Алексеевич, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО Алтайский ГАУ, г. Барнаул, Российская Федерация, e-mail: Bagaev710@mail.ru.

Бобровский Сергей Олегович, ассистент, аспирант, ФГБОУ ВО Алтайский ГАУ, г. Барнаул, Российская Федерация, е-mail: sergej.bobrovskij.95@mail.ru.

coefficient, the heat transfer coefficient), a smaller heating surface area and the number of heat exchanger pipes. This system can be one of the means of intensifying heat transfer in heating devices. The use of film flow is advisable when heating organic liquids, during which the decomposition of organic substances is possible. Similar thermal processes should be carried out at low values of heat fluxes and low temperature pressure.

Bagayev Andrey Alekseyevich, Dr. Tech. Sci., Prof., Altai State Agricultural University, Barnaul, Russian Federation. e-mail: bagaev710@mail.ru.

Bobrovsky Sergey Olegovich, post-graduate student, Altai State Agricultural University, Barnaul, Russian Federation. e-mail: sergej.bobrovskij.95@mail.ru.

Введение

Для нагрева газообразных и жидких сред в сельском хозяйстве широко применяется косвенный электрический нагрев сопротивлением [1, 2]. Описанную систему можно отнести к нагревателям с наличием внутренних источников теплоты [3]. Одной из проблем подобных систем является недостаточная интенсивность теплообменных процессов, что влечет за собой большую поверхность теплопередачи и, как следствие, значительные геометрические размеры.

В работе [4] рассмотрен нагревательный элемент типа «труба с внутренним источником теплоты в диэлектрической трубе». Указанные трубы образуют 2 канала: центральный - цилиндрический, диаметром, равным диаметру токопроводящей трубы, и кольцевой - диаметром, равном разности диаметров внешней диэлектрической трубы и внутренней токопрово-дящей трубы. В рассматриваемой системе турбулентный режим течения нагреваемой среды обеспечивается только в центральном канале, в кольцевом - ламинарный. Указанное обстоятельство не способствует интенсификации теплообмена и уменьшению геометрических размеров устройства.

В связи с этим поиск решений, обеспечивающих интенсификацию теплообмена, является актуальной задачей.

Цель - сравнительный анализ показателей интенсивности теплообмена в системах «труба - жидкость» и «труба - пленка жидкости».

В качестве методов исследования используются основные положения гидравлики и теплообмена.

Результаты исследования

Исходные данные: производительность в = 1000 кг/ч = 0,27 кг/с, температура стенки нагревательной трубы (с = 100оС, температура жидкости на входе С = 20оС, температура жидкости на выходе С = 75оС, среднеарифметическая температура жидкости (ж = 47,5оС, при которой плотность жидкости рж = 1010,5 кг/м3, кинематический коэффициент вязкости жидкости V = 1, 14510-6 м2/с, коэффициент теплопроводности К = 0,58 Вт/(мтрад.), удельная теплоемкость с = 3,97 кДж/(кгтрад.), число Прандтля Pr = 6, внутренний диаметр трубы б = 0,017 м, длина трубы I = 1 м.

Количество передаваемой теплоты:

0 = Ос (г'- г') = 58,95 кВт. (1)

Система «труба с внутренними источниками теплоты - нагреваемая жидкость» представлена на рисунке 1.

Методологической основой дальнейших рассуждений является [5].

Скорость жидкости в трубе: 4О

ю =---= 1,21 м / с. (2)

ръ42 3600

Число Рейнольдса для потока нагреваемой среды:

Re = = 17900, v

(3)

следовательно, режим течения турбулентный.

Число Нуссельта при турбулентном режиме течения:

Nu = 0,021Re0,8Pr0,43

'РгЛ v РГ у

0,25

= 114,58. (4)

Рис. 1. Система «труба с внутренними источниками теплоты - жидкость»: 1 - труба; 2 - нагреваемая жидкость

В выражении (4) множитель

Г Л0'25

' Рг^

V Рг у

V с У

принят

равным 1, поскольку среда нагревается [6].

В системе «труба с внутренними источниками теплоты - нагреваемая среда» в условиях отсутствия теплопередачи через стенку коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой среде а равен коэффициенту теплопередачи к.

—

а = к = Ыи — = 3909,48.

а

Среднелогарифмический напор (рис. 2):

А^ — А?

Аг

(5)

температурный

ср

2,31в

А?..

47,29. (6)

где Ан = - ? - разность температуры стенки и температуры жидкости на входе;

А?К = - - разность температуры стенки и температуры жидкости на выходе.

Плотность теплового потока:

q = кАгср = 18,48 • 104 Вт / м2. (7) Площадь поверхности нагрева:

^ = £ = 0,3 м2. (8)

q

Число труб длиной l = 1 м:

п = = 5,6. (9)

па1

Рис. 2. Схема изменения температур стенки трубы ?с и нагреваемой среды ?' — ?"

Система «труба с внутренними источниками теплоты - пленка жидкости» представлена на рисунке 3 [7].

Объемная плотность орошения при числе труб п = 1 диаметром d = 0,017 м:

Г

О

5-10

—3

(10)

Число Рейнольдса:

4 Г

Яе = — = 17467,2, (11)

V

следовательно, режим течения турбулентный. Значение Прандтля:

Рг = ^ = 7,92. (12) —

Тогда число Нуссельта: Ыи = 5,8 -10-4Яе1,18Рг0,4 = 134,02. (13) Толщина пленки:

а = 0,21

С 2 Л°,33 V

V 8 у

Яе0,533 = 0,0023 м, (14)

где g - ускорение свободного падения.

Рис. 3. Система «труба с внутренними источниками теплоты -пленка нагреваемой жидкости»: 1 - труба; 2 - оросительный пленочный аппарат (формирователь пленки жидкости); 3 - пленка жидкости

Коэффициент теплоотдачи а, как и в предыдущем случае, равен коэффициенту теплопередачи к:

—

а = к = 0,25Ны — = 9123,4. ст

Необходимая поверхность нагрева:

0

к А„

0,136 м'

ср

Число труб при I = 1 м составляет п = = 2,54.

'кйТ

(15)

(16)

(17)

Выводы

Проведенный анализ теплообменных характеристик систем «труба с внутренними источниками теплоты - нагреваемая жидкость» и «труба с внутренними источниками теплоты - пленка нагреваемой жидкости» свидетельствует, что при одинаковом турбулентном режиме течения

нагреваемой жидкости вторая система обладает более высокими теплообменными характеристиками (число Нуссельта, коэффициенты теплообмена и теплопередачи), меньшей поверхностью нагрева и числом труб и может быть принята в расчет при разработке средств интенсификации теплообмена в электронагревательных устройствах.

Библиографический список

1. Багаев, А. А. Электротехнология: учебное пособие / А. А. Багаев, А. И. Багаев, Л. В. Куликова. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. - 320 с. -Текст: непосредственный.

2. Багаев, А. А. Сравнительный анализ установок для термической обработки молока / А. А. Багаев, С. О. Бобровский. - Текст: непосредственный // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник материалов: в 2 книгах: XV Международная научно-практическая конференция. - Барнаул: РИО Алтайского ГАУ, 2020. -Кн. 2. - С. 8-11.

3. Теория тепломассообмена: учебник для вузов / С. И. Исаев [и др.]; под редакцией А. И. Леонтьева. - 3-е изд., испр. и доп. -Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. -462 с.: ил. - Текст: непосредственный.

4. Багаев, А. А. Оценка возможности организации турбулентного режима течения нагреваемой среды в каналах системы «труба с внутренними источниками теплоты - труба диэлектрическая / А. А. Багаев, С. О. Бобровский. - Текст: непосредственный // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2021. -№ 2 (196). - С. 127-132.

5. Краснощеков, Е. А. Задачник по теплопередаче: учебное пособие для вузов / Е. А. Крас-нощеков, А. С. Сукомел. - 4-е изд., перераб. -Москва: Энергия, 1980. - 288 с., ил. - Текст: непосредственный.

6. Филиппов, В. В. Теплообмен в химической технологии. Теория. Основы проектирования: учебное пособие / В. В. Филиппов. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2014. - 197 с.: ил. - Текст: непосредственный.

7. Удыма, П. Г. Пленочные испарители / П. Г. Удыма; под редакцией А. М. Бакластова. -Москва: Моск. энерг. ин-т, 1985. - 88 с. - Текст: непосредственный.

References

1. Bagaev, A. A. Elektrotekhnologiya: ucheb-noe posobie / A. A. Bagaev, A. I. Bagaev, L. V. Kulikova. - Barnaul: Izd-vo AGAU, 2006. -320 s. - Tekst: neposredstvennyj.

2. Bagaev, A. A. Sravnitel'nyj analiz ustanovok dlya termicheskoj obrabotki moloka / A. A. Bagaev, S. O. Bobrovskij. - Tekst: neposredstvennyj // Agrarnaya nauka - sel'skomu hozyajstvu: sbornik materialov: v 2 knigah: XV Mezh-dunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenci-ya. - Barnaul: RIO Altajskogo GAU, 2020. - Kn. 2. - S. 8-11.

3. Teoriya teplomassoobmena: uchebnik dlya vuzov / S. I. Isaev [i dr.]; pod redakciej A. I. Le-ont'eva. - 3-e izd., ispr. i dop. - Moskva: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2018. - 462 s.: il. -Tekst: neposredstvennyj.

4. Bagaev, A. A. Ocenka vozmozhnosti organi-zacii turbulentnogo rezhima techeniya nagrevae-moj sredy v kanalah sistemy «truba s vnutren-nimi istochnikami teploty - truba dielektricheskaya / A. A. Bagaev, S. O. Bobrovskij. - Tekst: neposredstvennyj // Vestnik Altajskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta. - 2021. -№ 2 (196). - S. 127-132.

5. Krasnoshchekov, E. A. Zadachnik po tep-lope-redache: uchebnoe posobie dlya vuzov / E. A. Krasnoshchekov, A. S. Sukomel. - 4-e izd., pererab. - Moskva: Energiya, 1980. - 288 s., il. -Tekst: neposredstvennyj.

6. Filippov, V. V. Teploobmen v himicheskoj tekhnologii. Teoriya. Osnovy proektirovaniya: uchebnoe posobie / V. V. Filippov. - Samara: Samar. gos. tekhn. un-t, 2014. - 197 s.: il. - Tekst: neposredstvennyj.

7. Udyma, P. G. Plenochnye ispariteli / P. G. Udyma; pod redakciej A. M. Baklastova. -Moskva: Mosk. energ. in-t, 1985. - 88 s. - Tekst: neposredstvennyj.

+ + +