CC BY
22
УДК 536
ТЕПЛООТДАЧА ЦИЛИНДРА, СООСНОГО С РАБОЧИМ ОБЪЕМОМ ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЫ С ДВУСТОРОННИМ НЕСИММЕТРИЧНЫМ ВВОДОМ ГАЗОВ
Засл. деятель науки и техн. России, докт. техн. наук, проф. САБУРОВ Э. Н., канд. техн. наук, доц. СМОЛИНА Н. В.
Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова
E-mail: pyblic@narfu.ru
HEAT TRANSFER OF CYLINDER BEING COAXIAL WITH EFFECTIVE VOLUME OF CYCLONE CHAMBER WITH DOUBLE ASYMMETRICAL GAS INLET SABUROV E. N., SMOLINA N. V.
Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov
Исследование теплоотдачи на поверхности круглого цилиндра при несимметричных условиях ввода газов в циклонную камеру выполнено методом изменения агрегатного состояния греющего агента - слегка перегретого водяного пара, подаваемого в цилиндр-калориметр. Подвод воздуха в циклонную камеру производили с двух диаметрально противоположных сторон через шлицы, расположенные в верхней и нижней ее частях в поперечных плоскостях на относительном расстоянии от торцов, равном 0,50к. Несимметрию ввода потока в камеру создавали за счет изменения относительной площади входа в нижней части камеры. Полученные данные обработаны в виде зависимости среднего числа Нуссельта от числа Re и параметра, характеризующего несимметрию ввода.
Ключевые слова: цилиндр, теплоотдача, циклонная камера, двусторонний ввод газа.
Ил. 3.Табл. 2. Библиогр.: 3 назв.
Investigation of heat transfer on the surface of a circular cylinder with asymmetrical gas inlet conditions in a cyclone chamber has been executed while changing an aggregate state of heating agent that is slightly superheated steam which is supplied into the cylinder-calorimeter. Air has been supplied into the cyclone chamber from two diametrically opposite sides through the slots in the top and bottom parts of the transverse planes on a relative distance from the ends which is equal to 0,50к. Unbalanced stream input into the chamber has been created due to varying the inlet relative area in its bottom part. The obtained data have been processed in the form of dependence of the average Nusselt number on Re number and a parameter characterizing the asymmetry of the inlet.
Keywords: cylinder, heat transfer, cyclone chamber, double gas inlet.
Fig. 3. Tab. 2. Ref.: 3 titles.
Рассматриваемая задача представляет интерес для расчетов и разработки циклонных нагревательных и охлаждающих устройств различного технологического назначения, теплообменников, рекуператоров, аппаратов, совмещающих функции циклонного сепаратора и теплоуловителя и т. д. Имеющиеся в литературе рекомендации по расчету теплоотдачи цилиндра в циклонном потоке относятся в основном к циклонным камерам с односторонним приторцевым вводом газов [1-3]. Исследование теплоотдачи на поверхности круглого цилиндра при двустороннем приторцевом несим-
метричном относительно среднего сечения вводе газов в циклонную камеру выполнено методом изменения агрегатного состояния греющего агента - слегка перегретого (на 2-3 °С) водяного пара, подаваемого в цилиндр-калориметр (рис. 1). Калориметр устанавливали соосно с рабочим объемом циклонной камеры в заданном месте с помощью специальных секций. Общая длина рабочей поверхности калориметра составляла 360 мм, диаметр й = 105,3 мм. Для оценки распределения плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи по длине цилиндра-калориметра его паровой объем был секционирован на восемь равных частей длиной по 45 мм каждая. Толщина технически гладкой стенки калориметра не превышала 1,0-1,5 мм. Калориметр имел снизу охранный участок высотой 30 мм, а его верхний торец был теплоизолирован текстолитовым диском. Равномерность раздачи пара по рабочим участкам калориметра обеспечивалась перфорированной трубкой. Образовавшийся в опытах на рабочей поверхности калориметра конденсат стекал в сборные тарелки секций и отводился из каждой по латунным трубкам через охранную секцию и гидрозатворы в мерные емкости. Обогрев охранной секции производили паром, поступающим из продувочного штуцера калориметра. Гидрозатвор создавал небольшое избыточное давление в паровом пространстве калориметра и позволял контролировать уровень конденсата под охранной секцией.
Подвод воздуха в циклонную камеру производили с двух диаметрально противоположных сторон через тангенциальные шлицы, расположенные в верхней и нижней ее частях в поперечных плоскостях на относительном расстоянии от выходных торцов, равном 0,5,0к. Среднее сечение камеры, делившее ее на две равные части (верхнюю и нижнюю), определяли координатой г (рис. 1), совпадающей с осью рабочего объема камеры и равной нулю. Все характеристики, относящиеся к верхней части камеры, в дальнейшем обозначены индексом «1», к нижней - индексом «2». Безразмерное значение г = . Несимметрию ввода потока в камеру создавали за счет изменения относительной площади входа /вх1 = 4/вх 1/(п^к2) установкой в шлицах специально спрофилированных вкладышей. При этом она могла принимать значения, равные 0,02; 0,04; 0,06; 0,08, а параметр
/вх2 = 4 /вх2/(пОк2) сохранял постоянное значение 0,04. Относительный параметр в дальнейшем обозначен /,,х,.
Вывод воздуха производили из верхней и нижней частей камеры через выходные отверстия плоских пережимов с относительным (по отношению к Ок) диаметром й?вых1 = ^вь]х2 = 0,8. Относительная длина рабочего объема камеры = /Ок составляла 5,25.
В качестве примера в табл. 1 приведены полученные в опытах местные значения чисел Нуссельта Ки = ас1/к (а - локальный коэффициент теплоотдачи; X - коэффициент теплопроводности) по длине круглого цилиндра при числе Рейнольдса Яе = Увхравном 1,9 • 105. В числе Рейнольдса:
- средняя скорость воздуха в шлицах камеры; V - кинематический коэффициент вязкости потока при входных условиях.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 - циклонная камера; 2 - цилиндр-калориметр; 3, 4 - секция удлинительная, охранная; 5 - заслонка; 6 - нормальное сужающее устройство; 7 - и-образный манометр; 8 - термометр; 9 - воздуходувка; 10 - щит с гидрозатворами; 11 - паровой электрокотел; 12, 13 - пароперегреватель основной и дополнительный; 14 - сосуд с тающим льдом; 15 - потенциометр; 16 - микроманометр; 17 - тангенциальная шлица; 18 - выходное отверстие; 19 - плоский пережим
Таблица 1
Изменение чисел N11 вдоль цилиндра при различных /п
^вх1 1
0 0,13 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,60
0,5 108 112 106 113 106 116 107 120 109 123 113 128 115 131 115 136 115 142 114 146 128 163 141 182 124 160
1,0 138 138 139 139 140 140 144 144 149 149 160 160 161 161 160 160 152 152 159 159 181 181 201 201 177 177
1,5 152 152 154 153 157 154 159 156 163 158 170 160 175 164 179 170 182 171 188 175 202 196 227 218 203 192
2,0 162 161 164 161 168 164 172 165 174 167 179 171 182 176 187 182 193 182 201 184 214 199 246 224 215 193
Примечание. Верхнее значение в столбце - Киь нижнее - №2.
Значения числа Нуссельта в зависимости от числа Рейнольдса при различных величинах параметра ,/вч, приведены на рис. 2.
N11 300
200
100 70 50
60 100 200 300 Яе • 10-3
Рис. 2. Зависимость числа N11 от числа Ле при различных значениях ® ~ Лх1 = 0,5; о - 1,0; А-1,5; □-2,0; темные значки-N11^ светлые-N112
Установлено, что показатель степени п при числе Рейнольдса в стандартной зависимости вида
N = с Яе" (1)
в рассматриваемой задаче изменяется по длине калориметра, а также в небольших пределах и от значения параметра | (табл. 2).
Полученные авторами данные были обработаны при п = 0,8 и в виде зависимости среднего числа
Нуссельта №д = а<3/1 (а - среднее значение коэффициента теплоотдачи на поверхности цилиндра) от числа Рейнольдса Яе и безразмерной относительной площади входа (рис. 3).
300 200
100 60
-3
Рис. 3. Средняя теплоотдача на поверхности круглого цилиндра
Таблица 2 Изменение показателя степени п
в формуле (1) при различных /11х1
? ^ вх1 П1 П2
0,5 0,70 0,72
1,0 0,80 0,80
1,5 0,82 0,80
2,0 0,79 0,80
В результате получено уравнение для расчета средних коэффициентов теплоотдачи на поверхности цилиндра
Nu = 2,7Re°'8/B;f3. (2)
Отклонение опытных точек от обобщающей кривой не превышает ±10 %.
В Ы В О Д
Полученное авторами уравнение для расчета средних коэффициентов теплоотдачи на поверхности цилиндра, соосного с рабочим объемом циклонной камеры с двусторонними околоторцевыми симметричным выводом и несимметричным вводом газов, правильно определяет особенности конвективного теплообмена в рассматриваемых условиях и может быть рекомендовано для практического использования.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. С а б у р о в, Э. Н. Исследование теплоотдачи цилиндрической вставки, соосной с рабочим объемом циклонной камеры / Э. Н. Сабуров, С. И. Осташев // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений). - 1979. - № 6. - С. 66-72.
2. С а б у р о в, Э. Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообменом / Э. Н. Сабуров. - Архангельск: Сев.-Зап. изд-во, 1995. -344 с.
3. С а б у р о в, Э. Н. Конвективный теплообмен в циклонных секционных нагревательных устройствах / Э. Н. Сабуров, С. И. Осташев // Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн. ун-та, 2004. - 192 с.
R E F E R E N C E S
1. S a b u г o v, E. N., & Ostashev, S. I. (1979) Heat Transfer Investigation of Cylindrical Insert Being Coaxial With Effective Volume of Cyclone Chamber. Izvestiia Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob 'edinenii - Energetika [Proceedings of the Higher Education Institutions and Power Engineering Associations - Power Engineering], 6, 66-72.
2. S a b u r o v, E. N. (1995) Cyclone Heating Devices with Intensified Convective Heat Transfer. Arkhangelsk: Northwestern Publishing House.
3. S a b u r o v, E. N., & Ostashev, S. I. (2004) Convective Heat Transfer in Cyclone Sectional Heating Devices. Archangelsk: Arkhangelsk State Technical University Publishing House.
Представлена кафедрой теплотехники Поступила 30.05.2013
