Методика исследования теплообменных устройств типа «Труба в трубе» с вращающейся поверхностью "конфузор-диффузор" Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532.5:621.694

Золотоносов А.Я. - аспирант

Золотоносов Я.Д. - доктор технических наук, профессор

E-mail: zolotonosov@mail. ru

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ УСТРОЙСТВ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ» С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТЬЮ «КОНФУЗОР- ДИФФУЗОР»

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена методике проведения экспериментальных исследований сопряженного теплообмена в аппаратах с вращающейся поверхностью «конфузор-диффузор» с использованием самых современных приборов и методик. Определен алгоритм исследования основных параметров процесса и предложен общий вид критериального уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи в каналах «конфузор-диффузор» с криволинейной поверхностью теплообмена и оребренной проточной частью.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гидродинамика, сопряженный теплообмен, поле температур.

Zolotonosov A.Ya. - post-graduate student

Zolotonosov Ya.D. - doctor of technical sciences, professor

Kazan State University of Architecture and Engineering

THE PROCEDURE OF HEAT EXCHANGERS TYPE «PIPE IN PIPE» WITH ROTATING SURFACE «CONFUSOR-DIFFUZOR»

ABSTRACT

The work is devoted to methods for experimental studies of the conjugate heat transfer in apparatus with a rotating surface «confuser diffuser» with using the most modern equipment and techniques. Detected algorithm research of the basic parameters of the process and proposed a general form of criterial equations for calculating heat transfer coefficients in channels «Confusor-Diffusor» with a curved surface of the finned heat transfer and flow-through part.

KEYWORDS: hydrodynamics, interfaced heat exchange, a field of temperatures.

Современное состояние проблем энерго- и ресурсосбережения на объектах промтеплоэнергетики и в системах теплоснабжения выдвигает на первый план вопросы совершенствования и модернизации существующих технологических процессов и их аппаратурного оформления.

В этой связи приобретают весьма важное значение исследования, касающиеся разработки и проектирования широкого класса теплообменной аппаратуры гравитационного и ротационного типов на базе теплообменных элементов типа «конфузор-диффузор» [1].

Работы, касающиеся исследований процессов гидродинамики и теплообмена в ротационных аппаратах типа «труба в трубе» каналом «конфузор-диффузор», в условиях ламинарного течения сред, впервые появились у нас в стране в 2002 году [2].

В ходе таких исследований было установлено:

1. На основе полной системы уравнений движения и неразрывности, с учетом уравнений баланса сил давления и трения, а также условия постоянства расхода в сечении канала, построена математическая модель течения вязкой жидкости для вращающихся каналов типа «конфузор-диффузор» с углами конусности диффузора и конфузора, не превышающих 9-110.

2. В теплообменных устройствах типа «труба в трубе» с вращающейся поверхностью «конфузор-диффузор» в условиях движения насыщенного водяного пара и жидкости обеспечивается непрерывный сброс пленки конденсата с поверхности вращающейся трубы «конфузор-диффузор», способствующий уменьшению термического сопротивления внешней теплоотдачи в 3...10 раз, а

высокие коэффициенты теплоотдачи, наблюдаемые во вращающихся каналах, делают возможным их применение в качестве элементов высокоинтенсивных компактных теплообменников, позволяющих изменять интенсивность теплообмена при неизменном расходе теплоносителей за счет скорости вращения поверхности теплообмена.

3. На основе итерационно-сеточного и вариационно-разностного методов предложены алгоритмы численной реализации задачи течения вязкой жидкости в канале типа «конфузор-диффузор». Получены обобщенные решения в виде осевой, радиальной, окружной составляющих вектора скорости и давления для вращающихся и неподвижных каналов, определен характер распределения полей температур в жидкости и стенке канала.

4. На базе исследований процессов гидродинамики установлено, что на кромке стыка диффузора с конфузором имеет место область активной циркуляции, интенсивность которой по длине канала непрерывно возрастает, вызывая в этих зонах «скачок давления»; расчетные значения поля скоростей в элементах трубы описываются кривыми распределения скорости - усеченной параболой в диффузоре и параболическим профилем - в конфузоре. Перепад давления по длине вращающегося канала определяется гидросопротивлением последовательно расположенных в нем элементов, особенностями гидродинамики в них, ростом давления в диффузоре и падением - в конфузоре.

5. В ходе исследований конвективного теплообмена во вращающемся канале «конфузор-диффузор» установлено, что на участке трубы, равной первой трети длины канала, кривые распределения температуры имеют трапецеидальный профиль, по мере продвижения жидкости вдоль канала происходит выравнивание температурного поля и трапецеидальный профиль трансформируется в параболический, кроме того, перенос тепла от стенок канала в ядро потока с увеличением центробежных сил становится более интенсивным. Длина участка тепловой стабилизации Ъ для ламинарного режима во вращающейся трубе типа «конфузор-диффузор»

может быть принята Ьтр = 38ёэкв, где dэкв - эквивалентный диаметр конфузорно-диффузорного модуля.

6. Установлено, что коэффициенты теплоотдачи и гидросопротивления во вращающемся канале типа «конфузор-диффузор» увеличиваются с ростом угловой скорости вращения трубы, при этом число Нуссельта может возрасти в 2,5 раза, коэффициент гидравлического сопротивления - в 3 раза, по сравнению с неподвижной трубой «конфузор-диффузор». Для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления получены критериальные уравнения.

Ранее полученные результаты открывают широкую перспективу дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, касающихся усовершенствования конфигурации проточной части канала. Это позволит снизить гидравлическое сопротивление в канале и увеличить поверхность теплообмена, при этом:

- стенки конфузорно-диффузорной трубы предлагается выполнить криволинейными с плавными входными кромками [4];

- для интенсификации процесса теплопередачи со стороны меньшего коэффициента теплоотдачи в проточной части канала установить оребрение [5].

Поскольку гидродинамика и теплообмен в таких каналах при ламинарном режиме течения ранее не исследовались, особый научный и практический интерес представляют:

- теоретические исследования процессов сопряженного теплообмена, на базе математических моделей, включающих уравнения неразрывности, полных уравнений движения и энергии, уравнений теплопроводности Лапласа для стенок канала и уравнением Пуассона для оребрения, дополненных условиями однозначности (начальными и граничными условиями) и условиями сопряжения;

- алгоритм численной реализации задачи сопряженного теплообмена для определения поля скоростей и температур в стенках канала, ребрах и проточной части трубы, и перепадов давления в зависимости от чисел закрутки, критериев Рейнольдса и Пекле;

- разработка экспериментальной установки и методики проведения эксперимента для проверки адекватности математической модели;

- разработка надежных методов инженерного расчета аппаратов гравитационного и ротационного типов для определения их конструктивных размеров и технологических характеристик.

Следует отметить, что математические модели для центробежных теплообменных аппаратов с трубами типа «конфузор-диффузор» являются универсальными, поскольку могут быть использованы для расчетов гидродинамики и теплообмена для неподвижных конфузорно-диффузорных труб, если угловую скорость вращения С положить равной нулю и для неподвижных гладких труб, если положить С = 0 и углы наклона касательных к кривым, описывающих стенки диффузора — ад и конфузора — ак соответственно равны нулю [2].

Для проверки адекватности математической модели и определения коэффициентов теплоотдачи во вращающемся канале типа «конфузор-диффузор» была разработана специальная экспериментальная установка (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

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 1530 мм выполнена из нержавеющей стали.

Внутренним элементом теплообменника является аксиально вращающаяся труба 2 конфузорно-диффузорного типа длиной 1530 мм и толщиной стенки 1 мм. 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.

Настоящей методикой предусматривается измерение температуры воды в центре проточной части канала 2. В этом случае замеры температур производятся малоинерционной железно-константановой термопарой Fe-CuNi «i» (27), смонтированной на натянутой струне 14 и перемещающейся вдоль оси трубы. Положение термопары в струне фиксируется с помощью координатника. 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 800 об/мин.

Расходы воды и пара замеряются с помощью диафрагм ДКС 0,6-20 (23, 24), укомплектованных измерительными преобразователями 7MF45321GA001BA1 дифференциального давления серии DS SITRANS погрешностью ±0,25 %.

Для замера давления воды на входе и выходе из трубы 2 используются преобразователи МИДА-ДИ- 13П-ЕХ-01 (1,21) с пределом измерения 0-0,6 МПа и погрешностью ±0,25 %, укомплектованные безбумажным самописцем LOGOSCREEN типа 95501/11/888, 888-5125/020,258.12 свободно программируемых каналов.

Для измерения входных и выходных значений температур воды и пара используются малоинерционные железно-константановые термопары Fe-CuNi «i» (2, 19, 20, 28). Данные результатов измерения регистрируются безбумажным самописцем LOGOSCREEN типа 95501/11/888, 888-51-25/020, 258.12 свободно программируемых каналов погрешностью ±0,1 % .

Температуры внешней стенки (со стороны пара) и внутренней стенки (со стороны воды) вращающейся конфузорно-диффузорной трубы 2 и температура пара в межтрубном пространстве измеряются малоинерционными железно-константановыми термопарами Fe-CuNi «i» диаметром термоэлектродных проводов 0,1 мм (3..18). Чувствительные элементы термопреобразователей для пара (4,6,8,10,12,14,16,18) устанавливаются в средней части межтрубного пространства и посредством термопарных кабелей жестко фиксируются с помощью гаек в специальных штуцерах, смонтированных на внешней стенке неподвижной трубы. Каждая термопара комплектуется вторичным прибором TURCK IM34-11EX-i погрешностью ±0,1 %.

Чувствительные элементы термопар (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) для контроля температур на внешней, внутренней стенках трубы 2 и на вершинах ребер монтируются в трубе и боковых стенках ребер и фиксируются сплавом Вуда. Термопарные кабели ш 1 мм укладываются в углубления внешней стенки вращающейся трубы и закрепляются скобами. Концы термоэлектродного провода термопар TURCK IM34-11EX-i выводятся на токосъемник 29 серии IST SRО85 фирмы Kubler и через неподвижные клеммы токосъемника соединяются с вторичными приборами LOGOSCREEN погрешностью ±0,1 %.

Настоящей методикой предусматривается измерение температуры воды в центре проточной части канала 2. В этом случае замеры температур производятся малоинерционной железно-константановой термопарой Fe-CuNi «i» (27), смонтированной на натянутой струне 14 и перемещающейся вдоль оси трубы. Положение термопары в струне фиксируется с помощью координатника. 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 800 об/мин.

Для проведения экспериментальных исследований в каналы 1,2 (рис. 1) соответственно подаются насыщенный водяной 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, и отсосе воздуха из межтрубного пространства, при заданной скорости

вращения и определенных расходах воды и пара, замеряются значения давлении воды на входе и

выходе из трубы, температуры воды и пара, а также температуры стенок трубы 2.

' '' I II

Обозначим температуры пара на входе Тп и выходе Тп ; температуры пара Тп^ и Тп^ (1=1. .4),

измеренные с помощью термопар (4, 6), (8, 10), (12, 14), (16, 18) (рис. 1); температуры внешней стенки трубы 2 01 и 011 (1=1..4), измеренные с помощью термопар (3, 5), (7, 9), (11, 13), (15, 17)

* к

(рис. 1); температуры воды на входе Т и выходе Т ; массовые расходы пара Оп и воды О .

Площадь наружной поверхности теплообмена конфузорно-диффузорной трубы определяется по выражению (рис. 2):

Рис. 2. Схема ребра типа «гребешок»

Л

/ = 2р нар.

2 ЬЯ 2

Л

| , ёх - | Яёг

/1 V Я2 -(2-а)2 ,

Площадь внутренней поверхности теплообмена рассчитывается по уравнению

(1)

/ = / + / -/ -/ + О + ф + в внутр 12 3 4

(2)

где / - поверхность между ребрами, /бок = - /3 боковая поверхность ребра, О, ф, в -

поверхности (рис. 2) Я и Я - внешние и внутренние радиусы дуги окружности конфузорно-

вн

диффузорных элементов; а, Ь - координаты центра окружности радиусом Я; I - шаг между гребешками ребра, 8 - толщина ребра , Ъ = Яр - гр - высота гребешков, п - количество гребешков.

где Fl = 2р

ЬЯ

вн

Я

вн

— ( 2 — а )2

F =: 2

2 2 I-

I (Ь — ,Я 2 — (2 — а)2)й2 — 8г (22 —21), V вн Р

2

— I Я 21

вн

п = 85п | Я — г Р Р

22

= 4t5n; в = 4t5n; F5 = 45 |

2

Я

вн

1, 1я 2 —( 2 — а )

вн

гё2.

Среднюю температуру пара находим как среднюю арифметическую:

Тп,ср = (Тп + Д0, ФЩ + т£) + ТП')/6 .

(3)

Среднюю температуру внешней и внутренней поверхностей Fн конфузорно-диффузорного канала определяем как средневзвешенную:

4 I II

0=2 0,5(© +011 )F / F , (4)

ср . л 1 1 1 н

1 = 1

где Fi - часть поверхности Fн , содержащая 1-ое сечение. Среднюю температуру воды находим по формуле:

тср = тп,ср — АТ , (5)

где АТ - среднелогарифмический температурный напор между паром и водой при противотоке:

к I I н

(Т — Т ) — (Т — Т ) АТ = ^-^-. (6)

Т — Т

Т — Т п

Количество переданного тепла определяется по изменению температуры воды:

е = Оср (Т'' — Т'), (7)

где удельная теплоемкость воды Ср определяется по средней температуре Тср .

Для контроля теплового баланса количество переданного тепла, от пара к воде, находим по уравнению:

еп = Сп (г + Срк (Тп— ТП)), (8)

где удельная теплота парообразования Г определяется по средней температуре Тп ср, удельная теплоемкость конденсата срк — по температуре ТЩ .

Средний коэффициент теплоотдачи от пара к стенке вращающейся трубы определим как:

еп

«1=-

^ (Тп,ср 0ср) Коэффициент теплопередачи определим из выражения

(9)

Т — Т

е=■

ср

ср

5с

а F № а F 1 н н пр вн

2

1

а К -ц + а К р 1 2 н

где а =-, К = К + К + К - площадь поверхности ребра,

пр р р 236

К = К - площадь неоребренной части поверхности со стороны оребрения, 1

К = К + К2 + р + р ; а2- коэффициент теплоотдачи от неоребренной части поверхности со стороны оребрения.

Обработка результатов исследования конвективного теплообмена производится в форме безразмерной зависимости вида

Ки = А - Нк - Яега I-I - Рг°,43 Ъ ж

Г \0,25 ' Рг ^ '

•МУу

пр

Рг

V С 0

(10)

где Ки, Яе, - отнесены к средней температуре воды Тер и рассчитываются по формулам:

2

а ё № = —э 1

Яе =

4О

р ё g т

аё соёг N = - э - э

2и 2Яеи

Рг, Рг - отнесены к средним температурам воды ТСр и стенки ©Ср .

По измеренному перепаду давления Ар вычисляется коэффициент гидравлического сопротивления X :

2 ,5

X = g 2„ А2.

8^ О2

Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки к воде определим из выражения [3]:

Ш = 0,37 N °,49Яе°,43Рг0'43

<у!Х

г \0,25

(Рг *

сЛЪ

Рг

V С 0

N41

а2 =

(ЛЬ

ё

(11)

(12)

где ё

4К

экв р

-; К = К + К - К +О + ф + в ;

внутр 12 3

где

внутр

К = V - V, - V,,

V = р {

Ь2 г - 2Ь

Ч(2 - а){/

,2 2 2 2-а

- аЫЯ - (2 - а) + Я штат-]

2~ Я

^»2 г 2 2 + Я 2 - — + а2 - а 2

V = 48 2

Ь2 -

Ч(2 - а)/

2 2 2 Я - (2 - а) + Я агсБт

I

Я2 - (2 - а)2

; V = 4п-8( Я - г 3 V р р>

э

Определим средний коэффициент теплоотдачи а2 по ребру:

-II а / \т^сЬв.юл--Да_ (©,2)Я &йф +--Д (г+--Д а, (г,Лйтй2 +--Д а. (г,2)йЫ2

г? ЩФ, 2) д с- ■> д г? ' г? 4. 4 7 с- 4„ Л 7

_ "в, вг % *_%° ^ ж, 11 % х21 2 (13)

2ср т

2 т

1

1

Тогда коэффициент эффективности определим по выражению [7]:

а

пр

Л- = -— ■

а2 а2 ср

Таким образом, предлагаемая методика исследований позволит подтвердить адекватность математической модели реальному процессу теплообмена и определить значения поля скоростей, температур и давлений по длине вращающейся трубы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Золотоносов А.Я., Золотоносов Я.Д. Конвективный теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в аппаратах с вращающейся теплообменной поверхностью типа «конфузор-диффузор» / ВИНИТИ. - М., 2007 - 103 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.02.2007. № 143 - В 2007.

2. Золотоносов А.Я., Золотоносов Я.Д. Теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в неподвижных и вращающихся каналах различной формы/ ВИНИТИ. - М., 2010. - 128 с. - Деп. в ВИНИТИ 02.08.2010, № 476 - В 2010.

3. Горская Т.Ю. Гидродинамика ламинарного течения вязкой жидкости в теплообменных устройствах с вращающейся поверхностью типа «конфузор-диффузор». // Дис... канд. техн. наук. - Казань, 2004. - 110 с.

4. Патент 2306518 РФ, МПК Б28Б 11/00 Аппарат для проведения процессов тепломассообмена / Я.Д. Золотоносов, А.Я. Золотоносов, № 2006105076/06; опубл. 20.09.07, Бюл. 26.

5. Аппарат для проведения процессов теплообмена / Золотоносов Я.Д., Золотоносов А.Я. № 2010124171/06; заявл. 1106.10; пол. реш. 3.07.10.

6. Золотоносов А.Я., Золотоносов Я.Д. Теплообмен в аппарате типа «труба в трубе» с вращающейся теплообменной поверхностью «конфузор-диффузор» и оребренной проточной частью // Известия КазГАСУ, 2010, № 1(13). - С. 194-205.

7. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. - М.: Энергия, 1977. - 256 с.