Моделирование теплогидравлических процессов и разработка методики обобщения данных по эффективным теплообменникам

Актуальность работы. Один из наиболее эффективных способов интенсификации процесса теплообмена — применение профилированных каналов или теплообменных поверхностей сложной геометрии, что ведет, как правило, к отрывному характеру течения, трудно поддающемуся описанию. Поэтому при проведении расчетов по гидравлике и теплообмену в таких каналах используют эмпирические зависимости, полученные для каждого типа поверхности. Область применения каждой из них ограничена конкретным типом поверхности или канала и исследованным диапазоном параметров потоков и геометрических характеристик поверхностей теплообмена.

Чтобы получить эмпирические зависимости, обеспечивающие необходимую точность расчетов, весь исследованный диапазон геометрических параметров часто приходится разбивать на два или более подинтервалов и подбирать зависимости для каждого из них. Поэтому количество зависимостей превышает число самих типов поверхностей, что вызывает дополнительные трудности при выборе и разработке теплообменников и при проведении оптимизационных расчетов в процессе совершенствования действующих или создания новых перспективных аппаратов и установок.

Дополнительные сложности возникают вследствие того, что отсутствует единый подход в выборе геометрических переменных, определяющих влияние на интенсивность теплообмена и гидродинамику.

В последние годы ситуация усугубилась тем, что фирмы-производители теплообменников, публикуя данные о выпускаемом оборудовании, не приводят в каталогах и рекламных проспектах необходимую информацию о геометрических и теплогидравлических характеристиках теплообменных аппаратов, вынуждая потребителей пользоваться услугами этих фирм по подбору оборудования, который выполняется не по обобщенным, а по частным зависимостям.

Целью работы является совершенствование методов расчета теплообменных аппаратов с эффективными поверхностями нагрева.

Для достижения указанной цели поставлен ряд научно-технических задач, включающий:

• выявление общих закономерностей процессов теплообмена и сопротивления при течении в каналах сложной геометрии, отличающихся формой и размерами;

• разработка модели, позволяющей описать теплообмен и сопротивление для более широкого класса поверхностей;

• апробация модели на имеющихся в литературе опытных данных для диффузорно-конфузорных каналов, труб со спиральными вставками и труб с накаткой, каналов пластинчатых теплообменников;

• обобщение данных по теплообмену и сопротивлению профилированных груб и каналов, а так же пластинчатых теплообменников с поверхностями из гофрированных пластин;

• разработка универсальной методики обобщения данных по теплообмену и сопротивлению эффективных теплообменников.

Научная новизна.

1. Предложена двухслойная модель турбулентного течения и теплообмена в каналах, объясняющая механизм интенсификации процессов переноса в профилированных каналах и опережающего роста теплообмена по сравнению с ростом сопротивления, а также модифицированная модель течения в трубах и каналах с дискретной шероховатостью.

В основу первой положено представление о двухслойной структуре течения — турбулентном ядре и прерывистом ламинарном пристенном подслое.

2. На основе обобщения известных опытных данных по теплообмену и сопротивлению в диффузорно-конфузорных каналах, трубах со спиральными вставками и трубах с накаткой, выполненного с использованием модели с прерывистым подслоем и модифицированной модели течения в шероховатых трубах и каналах, выявлено влияние обобщенных геометрических переменных каналов на процессы переноса. Получены зависимости критического числа Рейнольдса, при котором происходит периодическое прерывание подслоя, от вычисляемых по общим правилам для любых типов поверхностей обобщенных безразмерных геометрических переменных — относительной длины периода продольного профиля, степени дросселирования поперечного сечения канала, его кривизны и др.

3. На основе предложенной модели с прерывистым подслоем и аналогии процессов переноса теплоты и импульса получены зависимости для расчета теплообмена по гидравлическому сопротивлению при турбулентном безградиентном обтекания пластины и установившемся турбулентном течении в трубах и каналах.

4. Получены обобщенные зависимости по теплообмену и сопротивлению для ленточно-поточных и сетчато-поточных пластинчатых теплообменников, данные по геометрии которых, имеются в доступных для исследователей источниках.

Практическая ценность.

1. Применение предложенных моделей турбулентного течения и теплообмена позволяет рассчитывать теплообмен и сопротивление в более широких диапазонах геометрических характеристик, в том числе с учетом опережающего роста теплообмена.

2. Полученные обобщенные зависимости по теплообмену и сопротивлению каналов пластинчатых теплообменников, широко применяющихся в настоящее время в технологии, схемах тепловых пунктов промышленных предприятий и объектов жилищно-коммунального хозяйства, могут быть использованы при расчете и подборе теплотехнического оборудования.

На защиту выносятся:

• двухслойная модель турбулентного течения и теплообмена для интенсифицированных поверхностей теплообмена;

• модифицированная модель течения в шероховатых трубах и каналах, позволяющая обобщать опытные данные по гидравлическому сопротивлению в профилированных трубах и каналах;

• зависимости по теплообмену и сопротивлению диффузорно-конфузорных каналов, труб со спиральными вставками и с накаткой, учитывающие влияние геометрии.

• уточненная методика обобщения данных по теплообмену и сопротивлению профилированных труб и каналов с использованием обобщенных геометрических переменных, а также моделей прерывистого подслоя и течения в шероховатых трубах и каналах, апробированная при обобщении опытных данных для диффузорно-конфузорных каналов, труб со спиральными вставками и с накаткой;

• обобщенные зависимости по теплообмену и сопротивлению ленточно-поточных и сетчато-поточных каналов пластинчатых теплообменников.

Апробация работы.

Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях:

• 8 — 10-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2002 — 2004 г.

• Первой Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов. Энергосбережение — теория и практика, Москва 2002 г.

• Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. Вынужденная конвекция однофазной жидкости, Москва 2002 г.

• Второй всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов. Энергосбережение — теория и практика, Москва 2004 г.

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 8 опубликованных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, состоящего из 81 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 166 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.

4.3. Выводы по главе и анализ результатов.

1. На основе модели прерывистого подслоя и введения в уравнения подобия параметров геометрии и формы канала частные эмпирические зависимости по теплообмену и сопротивлению ленточно-поточных и сетчато-поточных теплообменников заменены обобщающими.

2. При обработке данных по сопротивлению выяснилось, что для их обобщения, кроме геометрических переменных учитывающих особенности геометрии каналов, целесообразно ввести дополнительную переменную, характеризующую особенности течения, обусловленные спецификой компоновки теплообменников, а именно отношение dullВ общего диаметра штуцера к ширине канала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Предложена двухслойная модель турбулентного течения и теплообмена с периодически прерывающимся ламинарным подслоем, позволяющая объяснить механизм интенсификации процессов переноса в профилированных трубах и каналах, а так же эффект опережающего роста интенсивности теплообмена, по сравнению с сопротивлением.

2. Предложена модифицированная модель течения в шероховатых трубах и каналах, позволившая повысить сходимость опытных данных и точность аппроксимирующих зависимостей по сопротивлению каналов сложной геометрии (диффузор-конфузор, труб с накаткой и спиральными вставками).

3. На основе предложенной двухслойной модели, аналогии процессов переноса теплоты и импульса и связи температурных и скоростных профилей получены зависимости по теплообмену и сопротивлению для турбулентного безградиентного обтекания пластины и установившегося течения в каналах, удовлетворительно согласующиеся с аналогичными зависимостями, которые были получены на основе трехслойной модели турбулентного потока.

4. Уточнен и дополнен перечень геометрических переменных для учета влияния геометрии канала на теплообмен и сопротивление в уравнениях подобия, предложенных ранее A. J1. Ефимовым.

Введение

дополнительной переменной для учета закрутки потока, замена отношения сечений /пмх / fmin на отношение гидравлических диаметров dmax fdmm и введение фактора шероховатости позволили уменьшить погрешность обобщающих зависимостей, прежде всего по сопротивлению до ± 9 — ± 27%.

5. На основе двухслойной модели турбулентного течения и теплообмена с периодически прерывающимся ламинарным подслоем получены зависимости для ReKp, обобщающие опытные данные по теплообмену и сопротивлению. Показано, что при /*/с/*—> оо значение ReKp—" 22 150, т. е. становится равным ReKp для гладкой трубы.

6. На основе уравнений, полученных с использованием двухслойной модели турбулентного течения и теплообмена с периодически прерывающимся ламинарным подслоем, и модифицированных уравнений подобия впервые аппроксимированы опытные данные для диффузорно-конфузорных каналов, труб со спиральными вставками и труб с накаткой.

7. Впервые выполнено обобщение данных по сопротивлению диффузорно-конфузорных каналов, труб со спиральными вставками и накаткой на основе предложенной модели течения в трубах и каналах с дискретной шероховатостью.

8. Полученные обобщенные зависимости по теплообмену и сопротивлению каналов пластинчатых теплообменников, широко применяющихся в настоящее время в технологии, схемах тепловых пунктов промышленных предприятий и объектов жилищно-коммунального хозяйства, могут быть использованы при расчете и подборе теплотехнического оборудования.

9. Обобщение данных по сопротивлению пластинчатых теплообменников выявило необходимость учета не только специфики геометрии каналов, образованных пластинами, но и особенностей компоновки теплообменника. Удовлетворительное согласование опытных данных с аппроксимирующей зависимостью (среднеквадратичное отклонение для сетчато-поточных теплообменников уменьшилось до ± 16%) было получено только после учета влияния отношения диаметра раздающего коллектора к ширине канала между пластинами.