CC BY
31
УДК 621.565 В. Л. ЮША
Е. В. СУХОВ А. Н. СУХОВА В. А. МЕЩЕРЯКОВ
Омский государственный технический университет Всероссийский заочный финансовоэкономический институт. Омский филиал
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КРИВОЛИНЕЙНЫХ КАНАЛАХ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ
Статья посвящена вопросам повышения эффективности теплообменного оборудования компрессорных, энергетических и теплоэнергетических агрегатов на базе СЗК с круглыми и некруглыми сечениями, ориентированными относительно винтовой оси, а также исследованию теплогидравлических процессов в таких каналах с использованием численной визуализации. Представлены результаты численного моделирования теплогедравлических процессов СЗК сложного профиля с использованием программного комплекса А№У5 СРХ. Ключевые слова: теплообмен, гидродинамика, спирально-змеевиковый канал, численное моделирование, визуализация.
Cпиpальнo-змeeвикoвыe каналы ^З^ круглого попєрєчного ceчeния, вьіполнєнньіє, как правило, путём навивки стандартизованных прямолинейных труб, нашли широкоє примєнєниє в различных oтpаcляx тєхники [1—7 и др.]. Однако в ряде cлyчаeв попереч-ноє ceчeниe проточной части таких каналов можєт имєть нєкруглоє ceчeниe, при этом yлyчшаeтcя тех-нoлoгичнocть изготовления тєплоо6мєнного узла [В].
Пpeдcтавлeнныe в [В] peзyльтаты pаcчётнo-экcпe-pимeнтальныx иccлeдoваний показали, что замeна CЗK круглого попєрєчного ceчeния на CЗK треугольного и квадратного поперечного ceчeния по конст-pyктopcкo-тexнoлoгичecким критериям не только допустима c точки зрения теплоэнергетиче^ой эф-фeктивнocти, но в ряде ^учаев являeтcя даже предпочтительной: в диапазоне 2000<Re<4000 для треугольного канала c j = 45o и j = 135о; и в диапазоне Re>5000 для квадратных каналов c j = 0о и j = 90о и треугольного канала c j = 0о величина теплогидравличе-
cкoй эффeктивHocти лТэ = (n^m х/№зм етуг)/(Хзм x/ /ХЗМ KPyr) превышает 1. В ходе проведённых игеледо-ваний было показано, что не только форма поперечного ceчeния CЗK, но и его ориентация вокруг cвoeй ост влияют на интегральные характеристики CЗK.
Для выявления причин этого влияния была проведена чиненная визуализация потока тeплoнocитeля в проточной части CЗK. Mатeматичecкoe моделирование иccлeдyeмыx объектов выпoлнялocь c жпо-льзованием cпeциализиpoваннoгo вычиcлитeльнoгo программного комплетса ANSYS Workbench 11.0 c при-
влечением модуля CFX. Комплекс рассматриваемых задач в нашем случае решался на основе уравнений движения, неразрывности, состояния, общего уравнения энергии (или уравнения тепловой энергии), уравнений теплообмена [9, 10]. В качестве моделей турбулентности использовались Laminar, k-e и k-w модели [8, 9].
Основными этапами создания математической модели в среде ANSYS CFX являются: а) создание ЭБ-модели; б) разбиение на сетку конечных элементов; в) наложение граничных условий; г) визуализация полей температур и давлений. Размеры конечных элементов в сетке составляли 0.2 ... 0.7 мм, количество этих элементов — от 1 002 Э71 до 1 211 270. Задаются следующие условия однозначности: граничные условия (давление и температура воды на входе, расход воды на выходе, плотность теплового потока, адиабатические граничные условия); начальные условия; геометрические условия; физические условия (физические свойства конструкционного материала и теплоносителя - библиотеки CHT Solids и Particle Solids, IAPWS [9]). Для обеспечения равномерности нагрева исследуемых СЗК, тепловой поток подводился в виде плотностей тепловых потоков q1 и q2 на наружную и внутреннюю стенки цилиндра в такой пропорции, чтобы на каждую из стенок СЗК приходилось равное количество тепла. Исследования проводилось при условии равенства массовых скоростей (f = const, d3KB = var), геометрических параметров L3®, D3M, n и t. Определение чисел Nu и коэффициентов X проводилось по известным методикам, основ-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
%
Прямой
круглый
Змеевиковый
круглый
Прямой
треугольный
Змеевиковый треугольный Ф = 0°
Змеевиковый треугольный Ф = 45°
Змеевиковый треугольный Ф = 180°
Змеевиковый
квадратный
Змеевиковый
ромбовый
►
Змеевиковый полукруглый Ф = 0°
Змеевиковый полукруглый Ф = 180°
Рис. 1. Результаты визуализации потока в исследуемых каналах (Ие = 5000)
ными исходными данными для которых являлись ос-редненные по периметру значения температур стенки канала, а также значения температур и давлений на входе и выходе из исследуемого канала (соответствующие установившемуся режиму).
Визуализация потока теплоносителя производилась для двух типов прямолинейных каналов (с круглым и треугольным поперечным сечением) и 8 типов спирально-змеевиковых каналов с круглым и некруглым поперечным сечением по трём параметрам: поле
Nu
100
1 1 1 1. Треугольник 0 градусов — — 2. Квадрат — — З.Ромб 4. Треугольник 135 градусо: 5. Треугольник 45 градусов 1 у
. 1 .
в \ J р
. Полукруг 180 градусов . Треугольник 180 градусо: . Полукруг 0 градусов J
g V'., Л
ч J 3
\ ,
\ (
х 7
—■
40
30
20
10
2000 3000
7000 8000
Re
Рис. 2. Зависимость числа Nu для СЗК с различным поперечным сечением от числа Re
1 1 е угольник 0 град\ адрат МО еугольник 135 гра еугольник45 град хлукруг 180 граду еугольник 180 гра )лукруг 0 градус 01
- 2.Кг - З.Ро
ll
5.Тр б.Пс усов
ов
'■Til ^8.Пс 9. Kf
VI уг
\
и 1
2 0 S
№ /\v У ? 6 7^ 7 / /
4 Г
О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 йв
Рис. 3. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления СЗК с различным поперечным сечением от числа Re
распределения скоростей, поле распределения давлений, поле распределения температур (рис. 1). Параметры рассматриваемых каналов: круглое сечение — Б = 48 мм, <3э = 6 мм, Б/<3 = 8, прямой и змеевиковый; треугольное сечение — Б = 48 мм, а = 8 мм, <3э = 4,6 мм, Б/<3 = 10,4, прямой и змеевиковый, р = 0, 45, 180; квадратное сечение — Б = 48 мм, а = 6 мм, <3э = 6 мм, Б/<3= 8, прямой и змеевиковый, р = 0° и 45°; полукруглое сечение — Б = 48 мм, а = 8 мм, <3э = 4,9 мм, Б/<3= 9,8, прямой и змеевиковый, р = 0° и 180°.
Полученное поле скоростей для прямого круглого канала хорошо иллюстрирует классическую теорию: при ламинарном режиме вектор скорости максимален в центре канала, а при турбулентном — скорость по сечению канала существенно выравнивается. Для круглого СЗК в поперечном сечении канала возникает поперечный градиент давления и скоростей, что и приводит к возникновению известного эффекта перемешивания потока — так называемой турбулизации в поле гравитационных сил [5, 7, 11, 12 и др.]. Из анализа полей скоростей, давлений и температур для СЗК круглого сечения видно, что центробежная составляющая исчезает при увеличении числа Яе, что подтверждает эффективность СЗК в ламинарном и переходном режимах. Представляется очевидным, что температурный градиент в таких СЗК достигает максимальных значений на периферии канала (внешней стенке СЗК) за счёт действия центробежных сил. Полученные результаты могут служить для верификации применяемой модели и мето-
дики расчёта по известным данным других исследователей [2, 6, 7 и др.].
Представленные на рис. 2, 3, 4 примеры интегральных характеристик исследованных СЗК с некруглым поперечным сечением показывают, что форма и ориентация таких сечений вокруг своей оси оказывают заметное влияние на эти характеристики. Следует отметить, что при одинаковой площади поперечного сечения каналов разной конфигурации периметры этих сечений, а, следовательно, и площади теплообмена в соответствующих каналах, отличаются по величине, что может являться одной из причин полученной разницы между числами Нуссельта, коэффициента гидравлического сопротивления, теплогидравлической эффективности. Однако отличия в этих характеристиках наблюдаются и для поперечного сечения одной конфигурации с неизменной площадью при его повороте вокруг оси.
Попробуем провести более подробный визуальный анализ этого результата на примере треугольного сечения (рис. 5, 6). Как и в случае круглого поперечного сечения, действие центробежных сил приводит к тому, что поле максимальных скоростей и давлений потока теплоносителя смещено в сторону внешней поверхности канала, что приводит к возникновению поперечной циркуляции потока. Однако в случае треугольного сечения, расположенного вершиной в сторону оси СЗК, наружная поверхность канала образована основанием треугольника, т.е. прямой линией. При этом проекция поля максимальных
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
1 7 2 5 1 \
\ _ 3
- 9
6 8 7 — - - 1. Треуголып -2. Квадрат - 3.Ромй ш 0 градусов ' -
-4. Треугольник 13} градусов - 5. Треугольник 45 градусов - 6. По лукр\т 15 0 гр ад у с ов
1 - . Треугольник 150 градусов - 5. Полукруг 0 градусов - Р.Кр\т 1 1 1-
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Дв
Рис. 4 Зависимость теплогидравлической эффективности СЗК с различным поперечным сечением от числа Ие
Рис. 5. Распределение скоростей в змеевиковом канале Рис. 6. Распределение скоростей в змеевиковом канале
треугольного сечения ф = 0° (Ие = 1500) треугольного сечения ф = 180° (Ие = 1500)
давлений и скоростей потока распределена практически вдоль всей этой прямой. Соответственно, циркуляционные потоки примерно одинаковой интенсивности охватывают весь объём канала. Этого нельзя сказать при рассмотрении СЗК с треугольным поперечным сечением, вершина которого направлена в противоположную сторону. На рис. 6 отчётливо видно, что ядро поля максимальных давлений и скоростей потока смещено в сторону вершины треугольного сечения. При этом проекция этого поля на противоположную сторону треугольника заметно меньше, чем в предыдущем случае. Это позволяет предположить, что перемешивание потока за счёт поперечной циркуляции потока на разных участках этого сечения будет проходить не так равномерно и интенсивно; следствием этого и является ухудшение интегральных характеристик такого СЗК.
Таким образом, проведённая численная визуализация теплогидравлических процессов в СЗК позволила верифицировать применяемую при расчётных исследованиях математическую модель, а также объяснить и обосновать отличие интегральных характеристик различных типов СЗК.
Список используемых обозначений
СЗК — спирально-змеевиковые каналы;
Ыи — число Нуссельта;
Яе — число Рейнольдса; х — коэффициент сопротивления;
] — угол поворота сечения вокруг центра масс, о;
/ — площадь поперечного сечения канала, м2;
^ЭКВ — эквивалентный диаметр, м;
ЬЭф — длина «рабочего» пути потока жидкости, м;
ЭЗМ — диаметр средней линии СЗК, м;
СВ ВЫХ — расход жидкости (воды) на выходе из канала, кг/с;
РВ ВХ — давление жидкости (воды) на входе, Па;
ТВ ВХ — температура жидкости (воды) на входе, К;
д — суммарная плотность теплового потока, Вт/м2;
д1 — плотность теплового потока на наружной стенке, Вт/м2;
д2 — плотность теплового потока на внутренней стенке, Вт/м2;
1 — шаг витков спирали, м;
п — количество витков спирали.
Библиографический список
1. Бажан, П. И. Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каневец, В. М. Селиверстов. — М. : Машиностроение, 1989. — 366 с.
2. Болгарский, А. В. Термодинамика и теплопередача / А. В. Болгарский, Г. А. Мухачев, В. К. Щукин. — М. : Высшая школа, 1975. — 495 с.
3. Григорьев, В. А. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники / В. А. Григорьев, Ю. И. Крохин. — М. : Энергоиздат, 1982. — 312 с.
4. Калинин, Э. К. Эффективные поверхности теплообмена / Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, И. З. Копп. — М. : Энергоатомиздат, 1998. — 408 с.
5. Калинин, Э. К. Интенсификация теплообмена в каналах / Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, С. А. Ярхо. — М. : Машиностроение, 1990. — 208 с.
6. Петухов, Б. С. Справочник по теплообменникам. В 2 т. Т. 1 / Б. С. Петухов, В. К. Шиков ; пер. с англ.. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — 559 с.
7. Щукин, В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил / В. К. Щукин. — М. : Машиностроение, 1980. — 240 с.
8. Юша В. Л. Теоретический анализ процессов теплообмена и гидродинамики в спирально-змеевиковых каналах с некруг-
лым поперечным сечением / В. Л Юша, Е. В. Сухов // Омский научный вестник. — № 3(103). — 2011. — С. 186 — 190.
9. ANSYS CFX-Solver Theory Guide ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. — Ca-nonsburg: PA 15317, 2006. — 312 p.
10. Зарубин, В. С. Математическое моделирование в технике / В. С. Зарубин. — М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - 495 с.
11. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы / Ю. И. Данилов [и др.] ; под ред. В. М. Иевлева. — М. : Машиностроение, 1986.— 200 с.
12. Ito, H. Friction Factors for Turbulent Flow in Curved Pipes / J. Basic Eng., Ser. D, vol. 81. — 1959.
ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: yusha@omgtu.ru СУХОВ Евгений Викторович, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: e_sukhov@list.ru СУХОВА Анастасия Николаевна, аспирантка кафедры «Математические методы и информационные технологии в экономике» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: sukhovan.n@gmail.com МЕЩЕРЯКОВ Виталий Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Математика и информатика» Всероссийского заочного финансово-экономического института.
Адрес для переписки: mva@webservis.ru
Статья поступила в редакцию 08.12.2011 г.
© В. Л. Юша, Е. В. Сухов, А. Н. Сухова, В. А. Мещеряков.
Информация
Конкурс James Dyson Award (премия Джеймса Дайсона)
Конкурс James Dyson Award — это международный конкурс среди студентов, обучающихся в сфере проектирования и инжиниринга, проводящийся в 18 странах. Организатором конкурса выступает благотворительный фонд Джеймса Дайсона, задача которого — поддерживать молодых талантливых инже-неров-проектировщиков, поощряя их творческий потенциал и изобретательность.
В конкурсе James Dyson Award могут принимать участие студенты (или выпускники, окончившие вуз не более четырех лет назад) университетов, получающие образование в области инжиниринга, дизайна продукции или промышленного дизайна в следующих странах: Австралия, Австрия, Бельгия, Канада, Франция, Германия, Ирландия, Италия, Япония, Малайзия, Новая Зеландия, Россия, Сингапур, Испания, Швейцария, Нидерланды, Великобритания и США. Полный перечень критериев для участия в конкурсе см. в Условиях и положениях.
ЗАДАНИЕ: Создать разработку, решающую какую-либо проблему.
Призы:
Международный победитель:
— 10000 £ студенту или студенческой команде (до четырех человек);
— 10000 £ факультету университета, в котором учится студент;
— сертификат и награда James Dyson Award.
Два международных лауреата:
— 2000 £ каждому лауреату;
— сертификат James Dyson Award.
Пятнадцать международных финалистов:
— сертификат James Dyson Award Национальные победители:
— 1000 £ каждому победителю
— сертификат James Dyson Award
До девяти национальных победителей от каждой страны:
— сертификат James Dyson Award ОСНОВНЫЕ ДАТЫ
Открытие регистрации: четверг, 2 февраля 2012 года Закрытие регистрации: четверг, 2 августа 2012 года
Объявление национальных победителей и финалистов: четверг, 30 августа 2012 года Оглашение списка претендентов, выбранных инженерами Dyson: четверг, 20 сентября 2012 года Объявление международных финалистов: четверг, 18 октября 2012 года Объявление победителя: вторник, 8 ноября 2012 года
Подробная информация на сайте Премии Джеймса Дайсона: http://www.jamesdysonaward.org Источник: http://www.rsci.ru/grants/grant_news/284/231495.php (дата обращения: 10.02.2012).
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
