Теплоотдача от горизонтального пучка труб к воздуху в условиях свободной конвекции Текст научной статьи по специальности «Физика»

И 3 В Е С Т И Я

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том ПО

190-2

ТЕПЛООТДАЧА ОТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПУЧКА ТРУБ К ВОЗДУХУ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ

Ю. л. КОРОЛЕНКО

(Представлено проф. докт. техн. наук Г. И. Фуксом)

Вопрос о теплоотдаче трубных пучков и условиях свободной конвекции является одним из наименее изученных в разделе свободной конвекции.

Обработка дифференциальных уравнений, описывающих явление, методами теории подобия приводит к зависимости

где О диаметр стержней, и горизонтальный и вертикальный шаг стержней в пучке.

С целью нахождения конкретного вида зависимости (I) для'пучка труб с одинаковым тепловыделением, отдающего тепло воздуху, была создана опытная установка. Главной ее частью являются латунные калориметрические трубки с внутренними электрическими нагревателями. Длина трубок Ь для уменьшения потерь с торцов выбиралась так, чтобы ----- >15.

Нагреватели всех трубок одного диаметра имели сопротивление, разнящееся в пределах:Ь0,5 %. Поверхность трубок покрывалась свечной копотью (степень черноты е—0,952 ¡4]). Из горизонтально расположенных калориметрических трубок нужного диаметра в специальной обойме набирался пучок нужного типа с заданным шагом горизонтальным ^ и вертикальным 5.,. Не менее 3/5 калориметрических трубок в каждом ряду пучка были снабжены медь-константо-выми термопарами из проводов диаметром 0,1 мм, проложенных по внутренней стенке латунных трубок. Спаи термопар выводились на поверхность трубки на середине ее длины и туг припаивались.

Часть трубок (не менее 2-х в каждом опыте) имели термопары еще и на концах. При сборке пучка спаи всех термопар были направлены вв'ерх [2]. Термопары были предварительно отградуированы с точностью до 0,1°С. В опытах э. д. с. термопар замерялись потенциометром ППТВ-1.

Нагреватели калориметрических трубок соединялись последовательно. Питание их осуществлялось переменным током через ста-

(1)

О

Рис. I.

билизатор напряжения и автотрансформатор JIATP-1. Мощность, рассеянная на нагревателях, измерялась электродинамическим ваттметром класса 0,2.

Торцы трубок защищались от потерь тепла слоем стеклянной ваты толщиной 25 мм. Разница между температурой центра и торцов стержней в опытах не превосходила 1°С.

Модель располагалась на высоте 0,5 над столом внутри кожуха размером 1000X700X600, защищавшего ее от влияния движения воздуха в помещении.

В опытах измерялись диаметр и шаг трубок, температура их поверхности 4-, температура внутри кожуха t/, температура холодного спая термопар tQ% температура помещения tHap и мощность, рассеянная на нагревателях.

Измерения всех температур и мощности проводились при строго установившемся стационарном тепловом состоянии модели.

Коэффициент теплоотдачи от труб модели вычислялся по соотношению

Qa- нкал

2 —.......~ ""' -------------, г \Q

F(tw - tf) м1 час С

F — суммарная боковая поверхность всех труб модели, ¿о,—температура поверхности наиболее нагретой трубки пучка. (Дли пучков труб с одинаковым тепловыделением, например, стержневых шунтов, эта температура обычно ограничена).

Qk~ тепло, рассеянное конвекцией

Qk ~ Q ЭЛ QA 0.П i

Qsa -тепло, выделенное током на нагревателях;

Qa—тепло, рассеянное лучеиспусканием от труб пучка;

Qn—тепло, потерянное через торцы труб и на токоподводах нагревателей

Q„<Q12QM.

На основании полученных из опыта данных иодсчитывалпсь мм -чения критериев Нуссельта Nu=~--—и Грасгофа Gr.....: fi А/.

Определяющим размером при этом принимался диаметр труб О определяющей температурой—температура воздуха, удаленного ш пучка —([1] [3] [5]).

Погрешность при определении коэффициента теплоотдачи ск.:;.-дывалась из погрешностей приборов, погрешности измерения размеров модели, погрешности градуировки термопар. Максимальная ошибка, возможная при определении а, не превосходит 6% при температуре труб больше 50°С.

На установке было проведено три серии опытов:

1. Опыты с одним рядом горизонтальных труб.

2. Опыты с многорядным коридорным пучком труб.

3. Опыты с многорядным шахматным пучком труб.

Опыты с одним рядом горизонтальных труб имели целью установить конкретный вид зависимости (1) для этого случая и минимальное расстояние между трубками, при котором исчезает их влияние друг на друга.

При проведении опытов изменялись;

1. Диаметр труб D от 6 мм до 28 мм.

2. Относительный шаг труб в ряду - от 1,082 до 4,33;

3. Температура поверхности наиболее нагретой трубы /и.—-от2о С до 240 С.

Значения критерия Грасгофа Ог/ в опытах изменялись от 800 до ">20000. На модели было проведено около 250 опытов, результаты которых представлены на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что при малых значениях относительного ша-

,36 ) влияние соседних труб на теплоотдачу конвекцией

I D

лцущается при всех значениях чисел Грасгофа, что существенно уменьшает коэффициент теплоотдачи (критерий Нуссельта) по сравнению с одиночной трубой при тех же значениях órf. Очевидно также. что при (7/у^3200 происходит изменение закономерности процесса теплоотдачи. При Grf<3200 наклон линий Niif—f{Grf) различен п зависит от относительного шага . При значениях Ог/ 3200

D

наклон линий Nur f {Orf) для всех ^ С1.36 одинаков.

! 1ри 1,36 : ^ 1,82 влияние соседних труб друг па друга

лцущается лишь при Ог^>3200. При этом влияние относительного

S

шаги на коэффициент теплоотдачи исчезает. При ~ >1,82 влияние

соседних стержней друг на друга прекращается и процесс теплоотдачи развивается по законам свободной конвекции одиночных стержней в неограниченном объеме.

Из рис. 1 видно, что Niif~f (к1; Grf) для всех прямоли-

нейны. Это позволяет искать конкретный вид функции в форме

Nu7 --С G г" .

(2)

4.0

о А

0.0 i

0,001

ост

1,<о

V0

-í.ao fy

т>

Рнг. 2. График гдля определения С при 6> -.-3200.

Значения Сип для различных ре жимов различны. При Grf<f3200

1Л 4 D

(3)

'.--но графику (рис. 2).

При G/y>3200 п 0,17.

Для

..... 1,ЗГ> С 2.93 3,16. (4)

I) I) '

Для i .36 г А

п

Для всех (irf при С 0.17.

1,82 С=0,82. (5)

D

> 1.82

что совпадает евой (f 1); [31).

п 0,2 о.,

известной зависимостью, полученной II. М. Михе

Значения коэффициентов теплоотдачи, рассчитанные по формулам (2)—(5), отличаются от данных опыта не более чем на 3%.

При проведении второй и третьей серии опытов целью было определение зависимости коэффициента теплоотдачи (критерия Нуссельта от критерия Грасгофа (бгЛ, геометрических характеристик пуч-

5,

ка труб—относительно шага горизонтального ---- и вертикаль-

ного и числа рядов труб в пучке пг.

При исследовании коридорного пучка изменялись:

1. Диаметр труб О—от б до 19 мм.

2. Относительный горизонтальный ¡наг труб в ряду ^------от 1

до 3,5.

3. Относительный вертикальный шаг рядов труб от 1,5 до 3,5.

4. Температура поверхности наиболее нагретой трубы пучка от 60 до 220.

5. Число горизонтальных рядов труб в пучке п2—от двух до семи.

6. Число труб в горизонтальном ряду пх — 5.

Значение критерия Грасгофа в опытах изменялось от 1225 до 228000. На модели было проведено более 200 опытов. Пои этом вы-

яснилось, что при шаге--<2,0 и —- <"'2,0 (тесный пучок) внут-

П О

ренние трубки пучка резко перегреваются по сравнению с трубками, расположенными по поверхности пучка. Теплоотдача от внутренних трубок тесного пучка практически отсутствует. Детально исследова-

лись пучки с относительным шагом--- 2,0 и —>2,0. Результа-

У О В '

ты опытов приведены на рис. 3. Из него видно, что так же, как и в первой серии опытов, при 0/у^3200 происходит изменение за-кономеоности связи Nuf=/(Grf). Опыты показали, что коэффициент

теплоотдачи {Ыиг) в одинаковой степени зависит от значения

и —~~ , что позволяет учитывать их влияние на теплоотдачу со-

вместно, т.е. в виде зависимости от произведения-^-. -

Влияние числа горизонтальных рядов труб /г9 на теплоотдачу ко-

ридорного пучка изучалась на моделях с ~ ==2,5. Результаты'

этих опытов показаны на рис. 4. Из опытов выяснилось, что с увеличением числа горизонтальных рядов труб п2 коэффициент теплоотдачи уменьшается до п2=6. Начиная с числа горизонтальных рядов п2- - б коэффициент теплоотдачи перестает зависеть от п2.

-Как вилно из рис. 3 и 4, зависимость !gNu/~f(lgGr/) для коридорного пучка прямолинейна. Поэтому (1) можно придать вид

— ОгТ. (6).

"1 г>м

•51

ъ

ар!

2.0.

52 О

>2,0 и С/г,;> 3200

т 0,25, А—0,34. С,,.. 0,182 0,012 (я2 2)- при 2 < //2 в п2 6, С*—0,134.

О

5о П

Рис. 3. Коридорный пучок о х О

2x2,

2x2,5-2,5x2,

X - 2x3- -3x2, 4-^- X |^ХЗ^З,5Х2,

2,5X3,5=3,5X2,5, - 3x3,5x3,5x3,

- - X - —

о о

• г /ч -----

о О

7- 1 >• -- 3.5x3,5, 8-- — X — П О О П

2,5X1,5.

Подсчеты по зависимости (6) дают значения коэффициентов теплоотдачи, отличные от данных опыта не более чем на 3,5%. Исследование шахматного пучка труб шло по той же методике, что я исследование коридорного пучка. В опытах изменялись:

1. Диаметр труб О—от 6 до 19 мм.

5 5 ^

2. Относительный шаг труб:-— —от 2,0 до 4,5, от 1,5 до 4,5.

3. Число горизонтальных рядов труб в пучке п2—от 2 до 7, чис-труб в четном горизонтальном ряду равнялось 4, в нечетном—5.

4. Значение критерия Грасгофа изменялось в опытах от 1119 до 224 000.

Так же, как и в предыдущих опытах, в исследованиях шахматного пучка труб, при ¿/г^3200 было отмечено изменение вида зависимости N11^—/{ОГ;).

о

5 Л"

.Тесными" в опытах оказались пучки труб с—— <2,5 и—-- ^ 2

О О

Детально исследовались шахматные пучки труб с 2,5 и

, 9

при Ог/У3200. Опыты показали, что для шахматных пучков

труб с указанными параметрами коэффициент теплоотдачи конвекци

¿'ис. 4. Влияние числа горизонтальных рядов груб п2 на теплоотдачу коридор

ного пучка труб к воздуху

1—я2=2, 2—щ—З, 3—л о -- 4, 4—щ=Ъ, А—п, > 5.

5«,

ей а очень слабо зависит от вертикального шага труб —— , и при Л

расчетах влияние может не учитываться.

Влияние числа горизонтальных рядов труб п2 на значение коэффициента теплоотдачи (критерий Нуссельта ощущается до п2=5. Пучки с числом рядов больше 5 имеют одинаковые при прочих равных условиях.

с

Коэффициент теплоотдачи шахматного пучка труб при—- >2,5,

ъ

Здесь

П

2,0 и йг/;^3200 может быть подсчитан по формуле

\ Ого-'*

(7)

Ся = 0,241 —0,012 (п2—2) при 2</г,<5,

Сп~0,205 при п2 > 5.

Приведенная зависимость достаточно хорошо (рис. 5) описывает данные опытов. Отклонения данных опыта от величин, найденных по формуле (7), не превосходит 4%.

к?

а

•ТЗУ*

* —Х) йбмм ■ в

— -

—

----———

Рис. 5. Теплоотдача от шахматного пучка труб к воздуху р условиях свободной конвекции.

Заключение

Изложены результаты опытного исследования мало изученного явления теплоотдачи от различных пучков горизонтальных труб к воздуху в условиях свободной конвекции. Установлено изменение вида зависимости N¿1^=/(Огу) при Ог^3200. Даны расчетные формулы для подсчета коэффициента теплоотдачи свободной конвекцией к воздуху от горизонтального ряда, шахматного и коридорного пучка труб. Приведенные формулы хорошо согласуются с данными опыта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Михеев М. А. Основы теплоотдачи. ГЭИ, 1956. %

2. Кружи лин Г. И., Шваб В. А. Журнал технической физики, т. 5, вып. 3 и 4, 1935.

3. Михеева И. М. Теплоэнергетика, №4, 1956.

4. КутателадзеС. С. и БоришанскийВ. М. Справочник по теплопередаче, ГЭИ, 1959.

5. Гухман А. А. Физические основы теплопередачи, ОНТИ, 1934.

л. 1:. тпи. т. по.