А Б Бирюков - Исследование интенсификации конвективного теплообмена при импульсной подаче теплоносителя - страница 1

Страницы:
1  2 

ВІСНИК ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ, Сер. А: Природничі науки, 2012, № 1

УДК 621.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ПОДАЧЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

А. Б. Бирюков

Донецкий национальный технический университет, г. Донецк

Экспериментально изучены некоторые аспекты интенсификации конвективного теплообмена при попереч­ном обтекании цилиндрического тела и импульсном режиме течения среды, создаваемом при вращении круглой заслонки в полости подводящего трубопровода.

Ключевые слова: конвективный теплообмен, течение среды, обтекание тела, критериальное уравнение.

Введение. В настоящее время сохранение предприятиями устойчивых позиций на рынке возмож­но только при постоянной работе над снижением уровня энергопотребления и повышением качества продукции. Данная задача требует для своего решения не только привлечения инвестиционных средств, но и постоянного проведения научных исследований и внедрения их результатов. Актуальным является поиск путей интенсификации теплообменных процессов с участием газообразных сред. Применительно к металлургической теплотехнике, данное направление исследований обусловлено тем, что сравнительно низкие значения коэффициентов конвективной теплоотдачи от газообразных сред или к ним определяют значительную продолжительность операций низкотемпературного нагрева или воздушного охлаждения материалов в печах, что снижает их технико-экономические показатели.

Теоретические аспекты различных подходов интенсификации конвективного теплообмена про­анализированы в работах [1, 2]. Среди публикаций на тему интенсификации теплообмена в камерах пе­чей за счет реализации импульсных режимов преобладают исследования практического характера, даю­щие представление об уровне экономии топлива, достигнутом авторами в конкретном случае [3 - 5]. Для целенаправленного достижения эффекта интенсификации теплообмена необходимо наличие расчетных зависимостей, позволяющих оценивать достигаемые значения коэффициента теплоотдачи в зависимости от параметров пульсации.

В данной работе решается задача экспериментальной проверки возможности интенсификации конвективного теплообмена при поперечном обтекании цилиндра и импульсном режиме течения среды. В результате обработки экспериментальных данных выводится критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен для случая пульсации, созданной при вращении круглой заслонки в полости подводящего патрубка.

Постановка и решение задачи. Конвективный теплообмен при поперечном обтекании цилинд­рических тел и стационарном течении среды описывается при помощи следующих критериальных урав­нений [1]:

Nu = 0,56Re0,5 Pr^36 (Ргж/Ргст )0,25, при Re<1000

Nu = 0,28Re0,6 Pr°36 (Ргж/Ргст )0,25 , при Re>1000. (1)

Здесь Nu - критерий Нуссельта; Re - критерий Рейнольдса; Pr - критерий Прандтля; индексы «ж» и «ст» обозначают, что значение критерия берется при температуре среды в ядре потока и при температуре об­текаемой поверхности соответственно.

Критерий Нуссельта и Рейнольдса определяются так:

Nu = ак d/ А,  Re = w d/у,

где ак - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2К); d - характерный для рассматриваемого вида конвективного теплообмена размер твердой поверхности, м; X - коэффициент теплопроводности грею­щей или охлаждающей среды при ее температуре, Вт/(м К); w - характерная скорость потока газа или жидкости, м/с; у - кинематическая вязкость потока, вычисленная при его температуре, м2/с.

Критерий Прандтля может быть найден в справочной литературе в зависимости от характерной температуры газового потока. По вычисленному при помощи соответствующего критериального уравне­ния значению критерия Нуссельта определяется искомое значение коэффициента конвективной теплоот­дачи. Очевидно, что вид критериального уравнения, описывающего конвективный теплообмен при им­пульсном течении сред, должен быть изменен или расширен за счет введения дополнительных критериев.

С использованием основных положений теории размерностей установлено, что рассматриваемая задача с одним определяемым параметром (значение коэффициента конвективной теплоотдачи) и семью определяющими независимыми факторами (характерный размер тела, средняя скорость течения среды,

© коэффициент теплопроводности среды, теплоемкость среды, плотность среды, коэффициент динамиче­ской вязкости, частота пульсации расхода среды) может быть описана при помощи (1+7- 4) четырех не­зависимых критериев.

Для импульсного режима обтекания тел принято решение взять за основу базовое критериальное уравнение (1) с набором известных экспериментальных коэффициентов при критериях Nu, Re, Pr. Влия­ние импульсности учитывается за счет введения критерия Sr (Струхаль) с двумя неизвестными коэффи­циентами:

Re0,6 Pr

0,36

(Ргж/Ргст )0,25 (Sr)b,

имп = 0,28 ^aгде a и b - неизвестные коэффициенты, значения которых определяются из эксперимента.

Для экспериментального изучения влияния импульсного характера подачи 1234 s газообразной среды на значение коэффи­циента конвективной теплоотдачи был создан экспериментальный комплекс, включающий в себя: 1 - дутьевой венти­лятор, 2 - главная регулирующая заслон­ка, 3 - расходомер, 4 - узел прерывания течения воздуха, 5 - диффузор для исте­чения воздуха, 6 - изучаемое тело, 7 -штатив с консолью, 8 - блок питания для нагрева изучаемого тела, 9 - подвод на­пряжения к телу, 10 - термопара (рис. 1).

Созданный лабораторный ком­плекс включает в себя: штатив с подве­шенным телом цилиндрической формы, подогреваемым электрическим токов и охлаждаемым за счет конвекции; блок питания, выдающий постоянное напря­жение, регулируемое в диапазоне от 0 до 20 В, алюмелевая термопара и

(2)

Рис. 1. Схема установки для изучения конвективного теплообмена

снабженный амперметром и вольтметром; хромель-цифровой прибор, снабженный функцией обработки сигнала от термопары и выдачи значения термопары в цифровом формате; устройство для создания пульсаций (рис. 2), принцип действия которого основан на вращении круглой заслонки в полости трубки кругло­го сечения (диаметр трубки 30 мм, диаметр заслонки 26 мм, выходной диаметр диффу­зора 60 мм).

Для проведения экспериментов ис­пользовалось сопротивление ПЭВ-20, имеющее цилиндрическую форму (высота 36 мм, наружный диаметр 13 мм). Внутрен­ние отверстия были заглушены теплоизоли­рующими пробками. В середине тела по высоте к его поверхности приклеен рабочий спай термопары (ТХА) и вся поверхность в один слой обернута изоляционной лентой толщиной 0,1 мм.

В основу работы экспериментального комплекса положен известный подход, согласно которому при подогреве тел электрическим током и охлаждении отдачей тепла в окружающую среду через некото­рое время наступает тепловое равновесие. При этом тепловая мощность, отводимая от тела, равна подво­димой тепловой мощности. Эта ситуация характеризуется определенной температурой поверхности ис­следуемых тел. Измеряя эту температуру и подводимую тепловую мощность, можно вычислить значение коэффициента конвективной теплоотдачи

Рис. 2. Крайние положения устройства для создания пульсаций (а - полностью закрыто, б - полностью открыто)

(

k Q-F є • C0

t     + 273 100

100

'(F ^ (tизм    tос )) '

(3)

где Q - подводимая тепловая мощность, Вт; F - боковая поверхность охлаждаемого тела, м2; k - тариро-вочный коэффициент, учитывающий утечку тепла от нагреваемого тела через подвеску; є - степень чер­ноты поверхности изучаемого тела; С0=5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К4); tjBj, - измеренная температура поверхности изучаемого тела, °С;    - температура окружаю­щей среды вокруг изучаемого тела, °С.

Вначале проведены исследования по определению значения тарировочного коэффициента уста­новки для безымпульсных режимов поперечного обтекания цилиндрических тел. Для каждой скорости обдува, устанавливаемой при помощи главной заслонки, фиксируются установившееся значение равно­весной температуры поверхности тела, температура среды, истекающей из диффузора. При помощи вы­ражения (1) вычисляется соответствующее скорости течения среды значение коэффициента теплоотдачи. Далее определяется такое значение тарировочного коэффициента, при котором обе части выражения (3) становятся равными.

В результате проведения ряда опытов (табл. 1), установлено значение тарировочного коэффициен­та установки в проведенных опытах. Значения этой величины в различных опытах колебались от 0,903 до 0,916; максимальная относительная разница между тарировочными коэффициентами составляла не более 1,6%. Отличие полученных значений тарировочного коэффициента от единицы определяется рас­сеиванием части тепла от обдуваемого тела через поддерживающую систему. Расхождение между значе­ниями тарировочных коэффициентов в различных опытах обусловлено колебаниями напряжения в сети, изменениями мощности, выделяемой на нагреваемом теле, а также конечной ценой деления расходомера и возможными ошибками, связанными с округлением расходов среды.

Результаты экспериментов по определению тарировочного коэффициента для созданной экспериментальной установки

Таблица 1

эксп.

Подво­димое напряже­ние, В

Выделяю­щаяся тепловая мощность,

Вт

Скорость вытекания среды из диффузора, м/с

Значение рав­новесной тем­пературы поверхности тела, °С

Значение коэф­фициента конвектив­ной теплоотдачи по

критериальному уравнению, Вт/(м2К)

Значение тарировоно-го коэффи­циента

10              5,29              4,835 69

69,635

0,916

10              5,29              4,095 72

63,034

0,9012

10              5,29              2,844 81

50,684

0,903

Для изучения возможности усиления конвективного теплообмена при импульсном режиме подачи теплоносителя принято значение тарировочного коэффициента 0,91. В рамках проведенных эксперимен­тальных исследований изучались импульсные режимы при изменении расхода, определяемом конструк­цией устройства для создания пульсации. Всего было проведено 9 экспериментов, в которых варьирова­лись средняя скорость течения среды и частота пульсации (частота вращения заслонки). Данные о значе­ниях факторов, установленных в эксперименте, и значениях искомого параметра приведены в табл. 2.

Таблица 2

Условия проведения экспериментов по изучению теплообмена при импульсном течении среды и их результаты.

Характеристика подачи среды

Значение коэффициентов теплоотдачи, Вт/(м2К)

Значения характерных критериев в эксперименте

эксп.

Средняя скорость среды у тела, м/с

Частота вращения заслонки,

об/мин

в экспе­рименте

В аналог. безимпульс-ном режиме

Re

Pr

ст

Sr

 

1

4,266

90

81,29

64,71

3760

0,694

0,0306

43,33

2

4,266

69

78,68

64,71

3760

0,694

0,0239

41,94

3

4,266

51

77,44

64,71

3760

0,694

0,0172

41,28

4

3,754

105

78,68

59,99

3309

0,694

0,0402

41,94

5

3,754

75

73,91

59,99

3309

0,694

0,0287

39,40

6

3,754

51

71,71

59,99

3309

0,694

0,0200

38,23

7

2,218

105

59,08

43,71

1955

0,692

0,0689

31,49

8

2,218

75

57,59

43,71

1955

0,692

0,0488

30,70

9

2,218

39

54,79

43,71

1955

0,692

0,0258

29,21

Отношение коэффициентов теплоотдачи при импульсном и безымпульсном режимах отопления может быть определено как отношение соответствующих критериев Нуссельта, взятых по критериаль­ным уравнениям (1) и (2):

аимп Iа = NuujunlNu = a(Sr . Получая для каждого конкретного эксперимента на основании экспериментальных замеров и их об­работки аимп и вычисляя по критериальному уравнению (1) а, соответствующее средней скорости течениясреды, получаем возможность определения коэффициентов a и b. Наиболее удобно эта задача может быть решена при отображении экспериментальных точек в логарифмических координатах ln(аимп jot), ln(Sh).

Тогда неизвестные коэффициенты b и ln(a) определяются как параметры прямой (множитель перед аргументом и свобод­ный член), проведенной через массив экспериментальных точек при помощи метода наименьших квадратов. Графиче­ское представление обработки экспери­ментальных данных и нанесенная аппрок­симирующая прямая представлены на рис. 3. Таким образом, конвективный теп­лообмен при поперечном обтекании тел и импульсном характере течения среды с изменением расхода, достигаемым путем вращения круглой заслонки в полости подводящего патрубка, описывается уравнением вида:

Nu = 0.494 ■ Re0,6 ■ PrЖ•36 (Pr, /Ргст f25 (Sr)0 0971.

Значение частоты пульсации для определения значения критерия Sr взята

учетверенная частота вращения заслонки, так как за один ее оборот имеет место четыре полуволны сме­ны скорости. В качестве характерного размера условно выбрана полудлина периметра обтекаемого тела. Выбор любого значения частоты пульсации, пропорционального частоте вращения заслонки и диаметру

тела поменяет лишь значения коэффициентов b и a с сохранением значения выражения a(Sr .

Анализ результатов исследования. В строгом смысле, полученное уравнение описывает конвек­тивный теплообмен для конкретного пульсатора, использованного в лабораторной установке (опреде­ленное соотношение диаметров трубопровода и заслонки, относительно расстояние от заслонки до среза диффузора). Полученное уравнение справедливо в диапазоне изменения критерия Sr от 0,017 до 0,068. Следует отметить, что для пульсаторов, действие которых основано на вращающейся заслонке или схо­жем принципе, результат будет зависеть от соотношения диаметров трубопровода и заслонки. В данной работе выбрано рациональное соотношение достаточное для обеспечения большой амплитуды колеба­ний (согласно специальным исследованиям она может достигать 50%). Зазор два миллиметра в канале ((30-26)/2=2) позволяет избежать заклинивания устройства и обеспечивает его свободное вращение даже при некоторых смещениях заслонки на оси.

Установленное критериальное уравнение позволяет управлять импульсными режимами теплооб­мена на количественном и качественном уровнях. Согласно известным представлениям, установленная закономерность усиления теплообмена при импульсном течении среды, объясняется тем, что при волно­образном изменении ее расхода происходит разрушение пограничного гидродинамического слоя, кото­рый формируется на значительной части периметра обтекаемых тел и определяет сопротивление тепло­передаче.

Интересной особенностью полученного критериального уравнения является достаточно слабое влияние частоты пульсации (показатель степени при критерии Sr порядка 0,1) на итоговое значение ко­эффициента теплоотдачи. В то же постоянная составляющая, связанная с переходом на импульсное ото­пление, достаточно значительна (1,764). По мнению автора, эта ситуация объясняется противоречивым влиянием частоты пульсации: с одной стороны при увеличении частоты разрушение пограничного слоя происходит более часто, с другой стороны, степень разрушения пограничного слоя с ростом частоты снижается из-за влияния инерционных явлений.

Усиление конвективной составляющей теплообмена на 20-30%, зафиксированное в эксперимен­тах, является достаточно существенным и позволяет, например, достичь примерно такого же ускорения нагрева в низкотемпературных печах или аналогичное ускорение воздушного охлаждения в печах. Что касается нагрева материалов в высокотемпературных печах, указанный уровень усиления конвективного теплообмена, приведет к незначительному усилению итогового теплообмена.

Подобие явлений тепло- и массообмена делает возможным, с некоторой условностью, применение этой закономерности для усиления и осознанного управления интенсивностью массообмена, что осо­бенно важно в технологиях химического синтеза, как классических, так и недавно возникших и дина­мично развивающихся, например, нанотехнологиях.

Выводы. Определен набор критериев для описания конвективного теплообмена при импульсном режиме течения сред. По сравнениию с уравнением, описывающим безымпульсный теплообмен, должен

-4,15 -3,95 -3,75 -3,55 -3,35 -3,15 -2,95 -2,75 ln(Sr)

Рис. 3. Экспериментальные данные по изучению теплообмена при импульсном обтекании тел и аппроксимирующая прямая, полученная при помощи метода наименьших квадратовбыть добавлен критерий Струхаля.

Для экспериментального изучения данного явления создана лабораторная установка, создающая пульсацию среды за счет вращения круглой заслонки в полости подводящего патрубка. Тарировочный коэффициент для установки был определен на основании анализа ряда экспериментальных точек, сня­тых для безымпульсного режима, описываемого известным экспериментальным уравнением.

На основании ряда экспериментов для импульсного режима течения среды и анализа их результа­тов получено критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при поперечном обте­кании цилиндрических тел и создании пульсации расхода среды путем вращения круглой заслонки в по­лости подводящего патрубка.

РЕЗЮМЕ

Експериментально досліджено деякі аспекти інтенсифікації конвективного теплообміну при поперечному обтіканні циліндричного тіла та імпульсному режимі течії середи, який утворюється завдяки обертанню круглої за­слонки в порожнині трубопроводу, що підводить середу

Ключові слова: конвективний теплообмін, течія середи, обтікання тіла, критеріальне рівняння

SUMMURY

Some aspects of convective heat transfer intensification on cylindrical body cross-flow and medium impulse flow re­gime caused by cut-off plate in supply pipe rotation are experimentally studied.

Keywords: convective heat exchange, medium flow, body cross-flow, criteria equation

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М.: Энергия, 1973. - 265с.

2. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - Новосибирск: Наука, 1970. - 659 с.

3. Пилипенко Р.А. Интенсификация тепловой работы камерных печей, отапливаемых природным газом / Р.А. Пи-липенко // Металлургическая теплотехника. - Днепропетровск, 2002. - Т. 8. - С. 99-105.

4. Губинский В.И. Нагревательные печи металлургии - сегодня и завтра / В.И. Губинский // Теория и практика металлургии. - 2004. - № 6. - С.56-60.

5. Новые схемы импульсного отопления нагревательных и термических печей / М.П. Ревун, А. И. Баришенко, А.И. Чепрасов и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005.- № 3. - С. 97-100.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А Б Бирюков - Исследование интенсификации конвективного теплообмена при импульсной подаче теплоносителя

А Б Бирюков - Исследование интенсификации конвективного теплообмена при импульсной подаче теплоносителя