CC BY
14Теплообмен в трубах с периодическим уменьшением сечения
и
у
а
г
*
а о
Келбалиев Руфат Фаиг оглы
д.т.н., Азербайджанский Научно-Исследовательский и Проект-но-Изыскательный Институт Энергетики, rufatkel@rambler.ru
Насибова Ульвия Адил кызы
научный сотрудник Азербайджанского Научно-Исследовательского и Проектно-Изыскательного Института Энергетики, ulviyye_nasibova@mail.ru
При выборе для практического применения метода интенсификации теплообмена учитывалась не только эффективность самой поверхности, но и технологичность ее изготовления, гидродинамическая структура потока. Выявлено, что используя периодически расположенные поперечные выступы - турбулизаторы в профилированной трубе наряду с увеличением теплоотдачи растет и гидравлическое сопротивление. Для выяснения влияние интенсификации теплообмена на эффективности работы энергетических установок рассматривается изменение температуры стенки, жидкости и коэффициента теплоотдачи в элементах теплообменных аппаратов в различных условиях их работы. Проведены экспериментальные исследования температурного режима стенки при докритических давлениях воды в трубах с турбу-лизаторами. Выявлено, что характер изменения температуры стенки по длине, как для профилированных, так и для гладких труб почти одинаковый. Выявлено увеличение теплоотдачи примерно 1,3 - 2 раза в турбулизирующей трубе при до критическом давлении воды. Интенсивность теплоотдачи в профилированной трубе, наряду с другими факторами, зависит также от геометрических размеров, формы и места установления турбулизатора. Анализ экспериментальных данных по воде только для данного турбулизатора позволил получить корреляционную зависимость для определения коэффициента теплоотдачи в однофазном потоке в трубе с турбулизаторами. Полученные результаты позволяют утверждать, что интенсификация теплообмена путем искусственной турбулизации пристеночной части потока является эффективным путем решения проблемы подогрева жидкости до необходимой температуры, охлаждения высокотемпературной поверхности, поддержания нормального температурного режима металла, уменьшения массы и габаритных размеров теплообменных аппаратов. Ключевые слова: теплоотдача, турбулизирующая труба, турбулизации потока, докритическое давление
Надежность работы энергоустановок требует подробного изучения закономерностей изменений температур стенок теплообменных аппаратов
Интенсификация теплообмена является эффективным путем решения проблемы подогрева жидкости до необходимой температуры, охлаждения высоконапряженной поверхности и поддержание необходимой температуры металла, уменьшения массы и габаритных размеров теп-лообменных аппаратов и устройств. В литературе предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена.
Используются турбулизаторы потока на поверхности, развитые поверхности в результате оребрения, закрутка потока спиральными ребрами, завихрителями, вибрация поверхности, пульсация теплоносителей и т.д. [1].
Необходимо отметить, что при выборе для практического применения того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и технологичность ее изготовления, гидродинамическую структуру потока, в котором требуется интенсифицировать теплоотдачу. Знание гидродинамической структуры турбулентного потока и особенностей теплообмена в нем позволяет установить области, в которых увеличение интенсивности турбулентных пульсаций окажет наибольший эффект на интенсификации теплоотдачи. Обычно - это области, довольно близко прилегающие к стенкам. Турбулентная теплопроводность в них мала, а плотность теплового потока близка к максимальной. Наиболее доступным и эффективным методом управляемого воздействия на структуру потока является создание в нем отрывных зон или других организованных вихревых структур, что можно достичь, используя периодически расположенные поперечные выступы - турбулизаторы. Создаваемые за этими выступами вихревые зоны и будут служить источником дополнительной турбулизации.
Известно, что в профилированной трубе наряду с увеличением теплоотдачи растет и гидравлическое сопротивление. Поэтому выбирают такой метод интенсификации теплообмена, в котором увеличение теплоотдачи превосходит рост гидравлического сопротивления
(Nu/Nuгл>^гл), т.е. экономический метод интенсификации теплообмена. С этой точки зрения наиболее широкое распространение получили методы, предложенные в работах [1], которые были приняты в данном исследовании. В конечном итоге целесообразность применения теплообменных аппаратах с турбулизаторами в конкретных установках должно определятся экспериментальными исследованиями и технико-экономическими расчетами.
Для выяснения влияние интенсификации теплообмена на эффективности работы энергетических установок рассматриваем изменение температуры стенки, жидкости и коэффициента теплоотдачи в элементах теплообменных аппаратов в различных условиях их работы.
В данной работе в качестве экспериментального участка использовалась гладкая и профилированная труба из нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т с геометрическими параметрами: йн / йв = 8.0/6.0 мм, обогреваемой длиной 200 мм, dв / йв = 5.5/6.0 мм, z / йв = 6.5/6.0 мм (рис. 1)[4].
явление позволяет утверждать, что жидкость, протекающая внутри профилированного канала,
Рис.1. Экспериментальный участок
Анализ проведенных опытов с водой дает возможность утверждать, что характер изменения температуры стенки по длине, как для профилированных, так и для гладких труб почти одинаковый.
Так на рис. 2 представлено зависимость изменение температуры стенки от отношения плотности теплового потока к массовому расходу в однофазном потоке для профилированной и гладкой трубы. Причем геометрические размеры этих труб идентичны. Как видно из графика температура стенки в профилированной трубе при одинаковых условиях меньше чем в гладкой. Даже при увеличении давлении 1е в гладкой трубе выше, чем в трубе с турбулизато-рами, т.е. интенсификация теплообмена не позволяет температуре стенки повыситься. Это
a) 1 2
20 q' 10" /pu
250
50
б) 1
--
20 25 q'10 /pu
Рис. 2. Зависимость t0=f(q-10'3/pu) для 1-гладкой и 2-профилированной трубы а) при Р = 2 МПа; б) при Р = 10 МПа.
10 15
п-3/.
способна воспринимать на много больше тепло. За счет чего температура стенки меньше, чем было раньше, а температура жидкости выше (рис. 3).
a) 2
DOOOO-° 1
15 20 q' 10" /pu
О
55 >
£
WC
160
120
80
40
б)
r-'^O 1
R
n
4
0 5 10 15 20 25 q'10" /pu
Рис. 3. Зависимость tx=f(q-10'3/pu) для 1-гладкой и 2-профилированной трубы а) при Р = 2 МПа; б) при Р = 10 МПа.
L.. C
200
0
0
5
tc"C
t "C
100
60
20
0
5
0
и
у
а
г
*
а б
На рис. 2 видно, что кривая, характеризующая 1е гладкой трубы, находится выше кривой профилированной трубы. Процесс кипения в гладких трубах в пристеночной части наступает на много раньше, чем в профилированной. Это объясняется более высоким значением 1е в гладкой трубе из-за плохой способностью жидкости нагреваться и тем самым охлаждать ее стенки. В профилированных трубах же 1ж лучше воспринимает тепло и температура стенки достигает значения равной 1э при более высоких тепловых потоках. Из рис. 2а видно, что при заданной массовой скорости с увеличением теплового потока или д/ри температура стенки возрастает, как при обычном конвективном теплообмене, и при достижении значения 1е > 1э начинается пузырьковое кипение. В процессе устойчивого кипения температура стенки остается постоянной, и на графике зависимости 1е = = 1^/ ри) получается горизонтальный участок. В конце этого участка в наступает кризис кипения. Начало процесса кипения в гладкой трубе соответствует значению дх 10-3/ри = 10, а в профилированной - д х 10-3/ри=18. Различие в значениях дх 10-3/ри в этих процессах объясняется тем, что в гладкой трубе температура стенки больше, чем в профилированной и при малых значениях д (или д/ри) наступает кипение жидкости. В профилированной трубе вследствие интенсификации теплообмена условия 1е = 1э получается при больших значениях д (или д/ри). Сравнение кривых зависимости ^^/ри), представленных на рис. 2, показывает, что в данном опыте с водой процессы конвективной теплоотдачи однофазного потока, кипения жидкости и кризис кипения в гладкой трубе осуществляются до значения дх 10-3/ри=13, в тоже время в профилированной трубе до значения дх 10-3/ри=18 имеет место только конвективный теплообмен однофазного потока.
На рис. 4 представлен график зависимости ц = 1^/ри) для воды. Из графика видно, что при однофазном потоке в опытах с водой коэффициент теплоотдачи в профилированной трубе на много больше. В гладкой трубе температура стенки больше, чем в профилированной, поэтому процесс кипения в гладкой трубе начинается раньше и теплоотдача интенсифицируется, наблюдается уменьшение. Это явление протекает до стадии начала кризиса кипения, после чего температура стенки возрастает в гладкой трубе и естественно коэффициент теплоотдачи убывает. В тоже время в профилированной трубе происходит теплообмен в однофазной среде или же при кипении, в связи с этим ц возрастает. Как было выше отмечено, интенсификация теплообмена получается при турбулизации пристеночного потока, в результате уменьшается
разность температур между стенкой и жидкостью, и увеличивается коэффициент теплоотдачи примерно 1,3 - 2 раза (рис. 4) в результате уменьшается разность температур между стенкой и жидкостью и коэффициент теплоотдачи увеличивается.
а 2200
1800
1400
1000
а) г
с-— --а-^"
/ ^ ]
13
19
25 д-10"3/ри
25 я-10"7рм
Рис. 4. Зависимость ц=Цд-10' /ри) для 1-гладкой и 2-филированной трубы при а) Р = 2 МПа, б) Р = 10 МПа
про-
Интенсивность теплоотдачи в профилированной трубе, наряду с другими факторами, зависит также от геометрических размеров, формы и места установления турбулизатора. Поэтому обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче и составление расчетных уравнений, приемлемых для различных турбулиза-торов, является сложной задачей. Ниже приводится анализ экспериментальных данных по теплоотдаче воды только для данного турбули-затора, причем рассматривается однофазный поток при докритическом давлениях воды.
Для обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче, полученных при турбулентном режиме движения воды в вертикальной профилированной трубе, вводятся турбулизирующие числа
ри (Бв - )
Рейнольдса [3] Рет = -. Экспери-
Ц .
ментальные данные обрабатываются в виде зависимости Ыиэ/Ыигл = /(Рет), где Ыигл определяется по формуле [2]
Ыигл = 0.02Ше
0.80
Рг
0.43
(1)
7
На рис. 5 показан график зависимости Миэ/Ыигл =/(Рет) для однофазного турбулентного течения воды докритического давления. Из графика следует, что основные массы экспериментальных точек (около 80%) сконцентрированы вокруг средней линии и отклоняются от нее на ± 15%. Все экспериментальные точки (95%) ложатся вокруг усредняющей линии с погрешностью ± 25%. На основании этих экспериментальных данных для расчета теплоотдачи имеем:
0.80 п 0.43 о 0.20
Nu„d = 0.01Re жё Ргж Re,
(2)
Nu^/Nuj^ 10
5% >%
rc О ОвЛй—
.--2
о .0- o* T
Re,
100
1000
10000
Рис. 5 Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче однофазного потока при докритических давлениях воды.
Полученные результаты позволяют утверждать, что интенсификация теплообмена путем искусственной турбулизации пристеночной части потока является эффективным путем решения проблемы подогрева жидкости до необходимой температуры, охлаждения высокотемпературной поверхности, поддержания нормального температурного режима металла, уменьшения массы и габаритных размеров теплооб-менных аппаратов.
Список обозначений
й, сС - диаметр трубы, мм; Ыи, Рг, Ре - числа Нуссельта, Прандтля, Рейнольдса; ; I - длина трубы, мм; ц - динамическая вязкость, Нс/м2; ри - массовая скорость, кг/(м2с), коэффициент гидравлического сопротивления.
Индексы: в - внутренний, гл - гладкий, ж -жидкость, н - наружный, р - расчетный, э - эксперимент.
Литература
1. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мя-кочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1998, 408 с.
2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Госэнергоиздат, 1973, 323с.
3. Келбалиев Р.Ф., Джабраилов Т.Ф. Теплообмен в трубах с периодическим уменьшением сечения при сверхкритических параметрах состояния // Теплофизика и Аэромеханика, РАН СО, 2006, т. 13, № 4, с. 603-609
4. Келбалиев Р.Ф. Определение место выработки дополнительной турбулентности в пристеночной части потока // Инженерно-физический журнал, 2004. Т. 77, № 6, с. 141-145
Heat transfer in a pipes with periodic draft Kelbaliyev R.F., Nasibova U.A.
Azerbaijan Scientific-Research and Prospecting-Design Power Institute
When choosing the method of heat exchange intensification for practical application, not only the efficiency of the surface itself was taken into account, but also the manufacturability of its production, the hydrodynamic structure of the flow. It was found that using periodically located transverse protuberances -turbulators in a profiled tube, along with an increase in heat transfer, the hydraulic resistance also increases. To clarify the effect of heat exchange intensification on the efficiency of the operation of power plants, the temperature of the wall, fluid, and heat transfer coefficient in the elements of heat exchangers under different operating conditions is considered. Experimental studies of the wall temperature regime at subcritical water pressures in pipes with turbulators were carried out. It was revealed that the character of the wall temperature variation along the length, for both profiled and smooth pipes, is almost identical. The increase in heat transfer was found to be approximately 1.3 - 2 times in the turbulent tube at a critical pressure of water. The intensity of heat transfer in a profiled pipe, along with other factors, also depends on the geometric dimensions, shape and location of the turbulizer. An analysis of the experimental data on water only for a given turbulator made it possible to obtain a correlation dependence for determining the heat transfer coefficient in a single-phase flow in a tube with turbulators. The obtained results make it possible to assert that intensification of heat exchange by means of artificial turbulence of the wall part of the flow is an effective way to solve the problem of heating the liquid to the required temperature, cooling the high-temperature surface, maintaining the normal temperature regime of the metal, reducing the mass and overall dimensions of the heat exchangers. Keywords: heat transfer, turbulizing tube, flow turbulence,
subcritical pressure References
1. Kalinin E. K., Dreytser G. A., Kopp I. Z., Myakochin A. S.
Effective surfaces of heat exchange. M.: Energoatomizdat, 1998, 408 pages.
2. Mikheyev M. A., Mikheyeva I. M. Heat transfer bases. M.:
Gosenergoizdat, 1973, 323 pages.
3. Kelbaliyev R. F., Dzhabrailov T. F. Heat exchange in pipes
with periodic reduction of section at supercritical parameters of a state//Thermophysics and Aeromechanics, RAS WITH, 2006, t. 13, No. 4, page 603-609
4. Kelbaliyev R. F. Definition the place of development of additional turbulence in a pristenochny part of a stream//the Engineering and physical magazine, 2004. T. 77, No. 6, page 141-145
О R
t*
£
R
n
4
