CC BY
11
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В РОТАЦИОННОМ АППАРАТЕ
Л.Р. ПАНТЕЛЕЕВА, Я.Д. ЗОЛОТОНОСОВ, Л.А. СМИРНОВА
Казанский государственный энергетический университет
Приведено описание экспериментальной установки и методики исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате с вращающейся трубой типа «конфузор-диффузор».
Исследования конвективного теплообмена во вращающихся каналах достаточно полно освящены в литературе [1,2]. Однако данные, касающиеся определения коэффициентов теплоотдачи в условиях ламинарного течения вязкой жидкости для вращающихся каналов сложной конфигурации типа «конфузор-диффузор», в литературных источниках отсутствуют.
Целью данной работы является разработка методики экспериментального исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате с вращающейся трубой типа «конфузор-диффузор».
Для определения основных закономерностей процессов теплообмена между жидкостью и паром в поле центробежных сил была разработана и смонтирована специальная экспериментальная установка (рис.1).
Основным элементом установки является теплообменник с вращающейся рабочей поверхностью типа «труба в трубе». Внешняя труба 1, диаметром 51 мм, толщиной стенки 2,5 мм и длиной 1520 мм, выполнена из нержавеющей стали. Внутренним элементом теплообменника является аксиально вращающаяся труба
2 конфузорно-диффузорного типа длиной 1520 мм и с толщиной стенки 1мм. Для проведения эксперимента труба 2 выполняется в трех вариантах: из стали; латуни; меди. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду поверхность теплообменника покрыта тепловой изоляцией 3. Вращение внутренней трубы обеспечивается с помощью клиноременной передачи от электродвигателя. В целях исключения вибраций при вращении труба 2 теплообменника монтируется на двух внешних опорах в длинных подшипниковых узлах 4, а внутри трубы 1 - фиксируется на трех фасонных втулках 5, выполненных из фторопласта.
Вода из магистрали подается через уравнительный бачок, снабженный переливом и перемешивающим устройством для обеспечения равномерного распределения температуры жидкости по объему. Для нагрева и поддержания постоянства температуры жидкости в бачке установлены ТЭН и терморегулятор 26. Циркуляция жидкости осуществляется циркуляционным насосом. Вода поступает во вращающийся канал 2 через патрубок 6. Для создания равномерного поля скоростей в потоке перед входом в проточную часть канала 2 установлена распределительная решетка. Вывод воды из трубы 2 осуществляется через патрубок 7.
© Л. Р. Пантелеева, Я.Д. Золотоносов, Л. А Смирнова Проблемы энергетики, 2004, № 7-8
Вода
тап]
9 10
1516
\
1314
1718
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
*
%
*
*
21 22 23 24 25 26 27 28
4
I
§
з
I
(27) (%Р (Е) @г) Gй) (&-г) См) С *)
(2
г
Ш-2/ мАу \Jg-g УЛрУ \Д 37 V У
.Л2_
/5
Микрокоординатник
Рис.1 Схема экспериментальной установки А - фрагмент трубы 2, В-В - сечение трубы со схемой компоновки термопар
Из парогенератора через патрубок 8 (9) в межтрубное пространство противотоком (прямотоком) движению жидкости подается насыщенный пар
(120° С), который отводится из канала через патрубок 9 (8).
Расходы воды и пара замеряются с помощью диафрагм ДКС 0,6-20 (23, 24) укомплектованных измерительными преобразователями «САПФИР 22ДД» модели 2430 погрешностью ± 0,25 %, блоками питания, преобразования и корнеизвлечения БПК-40. Показания расходов с БПК-40 подаются на показывающие самописцы РП-160-09 погрешностью ± 0,5 %.
Для замера давления воды на входе и выходе из трубы 2 используются преобразователи МИДА-ДН-01П (1, 21) с пределом измерения 0-0,6 МПа и погрешностью ± 0,5 %, укомплектованные показывающим прибором РП-160МП1-09 погрешностью ± 0,1 %.
Для измерения входных и выходных значений температур воды и пара используются термометры сопротивления ТСМ 50М (2, 19, 20, 28) погрешностью ±
0,25 %. Данные результатов измерения регистрируются показывающим прибором РП-160М1-20 погрешностью ± 0,1 %.
Температуры внешней стенки трубы 2 и температуры пара в ядре потока измеряются железно-константановыми термопарами ТЖК(Л) (3-18),
установленными в специальных щтуцерах 10-13, смонтированных на внешней стенке неподвижной трубы, и комплектуются вторичным прибором УКТ-38 фирмы “ОВЕН”, погрешностью ± 0,5 %, с восемью входами для подключения датчиков. Термопары ТЖК^) (4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) устанавливаются в ядре потока межтрубного пространства и фиксируются в таком положении с помощью микрокоординатника. Термопары ТЖК^) (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) в случае неподвижной трубы 2 плотно прижимаются к ее поверхности, а в случае вращения трубы 2 устанавливаются с помощью микрокоординатника на расстоянии 0,01 мм от ее поверхности и фиксируются в таком положении.
Измерение температуры воды в центре проточной части канала 2 производится железно-константановой термопарой ТЖК^) (27), смонтированной на натянутой струне 14 и перемещающейся вдоль оси трубы. Положение термопары в струне фиксируется с помощью микрокоординатника. Это позволяет сканировать параметры температур вдоль всей оси проточной части канала 2.
Скорость вращения трубы 2 замеряется маркерным бесконтактным датчиком ОПД-18М-1МР (22) и регистрируется счетчиком импульсов СИ-8 (0,1 мс, 8000 Гц) в диапазоне от 200 до 2000 об/мин.
Методика эксперимента состоит в следующем. В каналы 1, 2 соответственно подаются пар и вода. По достижении стационарного режима работы установки, который в эксперименте считается достигнутым после 3-4 кратной смены объемов воды и пара в проточной части каналов, при заданной скорости вращения и определенных расходах воды и пара одновременно замеряются давление воды на входе и выходе из трубы, температура воды и пара, температура стенки трубы 2.
» »»
Обозначим температуры пара на входе Тп и выходе Тп ; температуры пара Ты и тЩ (1=1..4), измеренные с помощью термопар (4, 6), (8, 10), (12, 14), (16, 18); температуры внешней стенки трубы 2 01 и ©(г = 1..4), измеренные с помощью
» »»
термопар (3, 5), (7, 9), (11, 13), (15, 17); температуры воды на входе Т и выходе Т ; массовые расходы пара Оп и воды О.
Площадь внешней поверхности теплообмена F определяется по выражению
F = п(Rq - rQ + 2h(Rq — r0 ))(пд sin у д + nK sin у K),
где Пд и пк - количество диффузорных и конфузорных элементов в канале. Среднюю температуру пара находим как среднюю арифметическую:
4
Тп,с, = (Т'п +Z0,5(Тп' + T"i ) + Т»)'*. i=1
Среднюю температуру поверхности F определяем как средневзвешенную
[3,4]:
4
© ср = 2 0,5(01 + © I )Fi / F, i=1
где Fi - часть поверхности F, содержащая i-ое сечение.
Среднюю температуру воды находим по формуле [3,4]
Тср = Тп,ср — A^log,
где A7j0g - среднелогарифмический температурный напор между паром и водой при противотоке:
ft t » »»
(Тп — Т) — (Тп — Т)
ATlog =---------------5-;----
Т — Т , 1п 1
ln —-------
T - T n
и прямотоке:
» »
(Tn - T ) - (Tn - T )
»» »»
ATlog ="
ln
T - T n
»» »» T - T n
Тепловой поток, переданный от пара к воде, находим по уравнению
О-п = Опг,
где удельная теплота парообразования г определяется по средней температуре Т
*п,ср'
Для контроля теплового баланса количество переданного тепла определяется также по изменению температуры воды:
»» » й = аср (т — т),
где удельная теплоемкость воды Ср определяется по средней температуре ТСр.
Средний коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубы 2 определим как
йп
¥ (Ти,ср 0 ср )
Коэффициент теплопередачи теплообменника, отнесенный к внутренней поверхности трубы ¥ (при к = 0), вычисляем по уравнению [4]
йп
¥ДТ,
Тогда средний коэффициент теплоотдачи от стенки к воде а находим из соотношения
а = -
1
dэ dэ dэ
э э 1п э э
к 2Хс d э а ивэ
где d э, Бэ — внутренний и наружный эквивалентные диаметры трубы 2.
Полученные экспериментально значения температур пара и среднего коэффициента теплоотдачи от пара к стенке трубы 2 позволят рассчитать поле температур жидкости в проточной части канала и стенки вращающейся трубы по раннее разработанной математической модели конвективного теплообмена [5]. Проверка адекватности математической модели реальному процессу проводится по экспериментальным значениям температур в центре проточной части канала 2
путем их сравнения с расчетными значениями температур на оси ^0 [5].
Обработка результатов исследования конвективного теплообмена производится в форме безразмерной зависимости вида
Ии = ЛИ4 Яеп Ргт
( и 'к
Рг
Ргс
ч с У
Рг =----отнесены к
а
.. ЮГ0 аdэ 4G
где N =---------число закрутки; Ии =----------, Ке =--------
и0 ^ ж э
средней температуре воды Тср, РгС — к средней температуре стенки 0ср.
Постоянные в приведенном выше критериальном уравнении находятся методом последовательного приближения таким образом, чтобы при построении зависимостей соответствующих комплексов от каждого из четырех аргументов отклонения опытных точек от осредняющих кривых были бы наименьшими.
к
По измеренному перепаду давления Др вычисляется коэффициент гидравлического сопротивления £ :
2 5 п d э 2 АР
£ =----— g Р—^,
S 8L G 2 ’
который может быть использован для исследования полной теплогидродинамической эффективности вращающегося волнистого канала.
Обозначения
ro, Rq — наименьший и наибольший радиусы волнистого канала 2;
Y й, Y к — углы конусности диффузора и конфузора;
н
L - длина трубы 2; h =-----(H - толщина стенки канала 2, Y = Y д — в диффузоре,
cos y
Y = Y к — в конфузоре);
а — угловая скорость вращения; uq — начальная скорость воды;
X ж, X c — коэффициенты теплопроводности воды и стенки канала 2;
ц, v — коэффициенты динамической и кинематической вязкости;
g - ускорение свободного падения; a - коэффициент температуропроводности; р — плотность.
Summary
The description of the experimental installation and technique of research of convective heat transfer in the rotational vehicle with a rotated converging-diverging flow channel is adduced.
Литература
1. Авраменко А.А., Шевчук И.В., Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в
полях центробежных массовых сил. - Киев: Наук.думка, 1996. - Том 2. -
228 с.
2. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. - М.: Машиностроение, 1970. - 240 с.
3. Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М-Л.: ГЭИ, 1956. - 392 с.
4. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. -
М.: Энергия, 1979. - 319 с.
5. Пантелеева Л.Р., Золотоносов Я.Д. Математическая модель и алгоритм численной реализации конвективного теплообмена в аппарате с вращающейся рабочей поверхностью // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2003. - №1-2. - С.25-32.
Поступила 27.07.2004
