Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Исследование устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой

Диссертация: Исследование устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В литературе практически не приводится сведений по определению устойчивости естественной циркуляции, за исключением рассмотрения устойчивости движения теплоносителя в паровых котлах и т. п. Отсутствие данных для расчета устойчивости естественной циркуляции требует экспериментального и теоретического изучения. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, и проведены исследования… Читать ещё >

Содержание

  • Список используемых обозначений
  • Введение
  • 1. Глава 1. Устойчивость движения при естественной конвекции и естественной циркуляции
    • 1. 1. Естественно-конвективный теплообмен в истории теплофизики
      • 1. 1. 1. Общие положения
      • 1. 1. 2. Историческое развитие
    • 1. 2. Устойчивость движения при естественной конвекции
      • 1. 2. 1. Внутренние задачи естественной конвекции
      • 1. 2. 2. Исследования течения в прямоугольных полостях
      • 1. 2. 3. Течение между вертикальными стенками
      • 1. 2. 4. Течение между горизонтальными стенками
      • 1. 2. 5. Течение в горизонтальном круговом цилиндре
      • 1. 2. 6. Смешанная конвекция в вертикальном канале
    • 1. 3. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции. Постановка задачи исследования
      • 1. 3. 1. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции
      • 1. 3. 2. Неустойчивость в двухфазных потоках
      • 1. 3. 3. Устойчивость естественной циркуляции в теплообменнике, меняющем пространственное положение

      2. Глава 2. Описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных. 2.1. Выбор величины характеризующей устойчивость естественной циркуляции, определение параметров, от которых зависит устойчивость естественной циркуляции. 48 2.2. Описание экспериментальной установки.

      2.2.1. Однотрубный теплообменник. 49

      2.2.2. Двухтрубный теплообменник. 54

      2.2.3. Установка для визуального исследования явления опрокидывания естественной циркуляции. 55

      2.3. Методика проведения эксперимента.

      2.3.1. Этапы проведения эксперимента. 60

      2.3.2. Особенности методики проведения эксперимента для двухтрубного теплообменника.

      2.3.3. Определение температуры в эксперименте. 64

      2.3.4. Результаты экспериментального определения тепловых потерь. 65

      2.3.5. Определение гидравлических потерь в элементах экспериментального контура. 70

      2.4. Методика обработки результатов экспериментов.

      2.4.1. Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных. 72

      2.4.2. Выбор теплофизических свойств среды, необходимых для обработки экспериментальных данных.

      2.4.3. Определение погрешностей измерений. 75

      3. Глава 3. Результаты экспериментальных исследований устойчивости естественной циркуляции внутри горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.

      3.1. Оценка основных параметров движения в эксперименте. 78

      3.2. Динамика процесса запуска, развития и опрокидывания естественно-циркуляционного движения циркуляции.

      3.2.1. Динамика запуска. 81

      3.2.2. Динамика изменения характера движения воды при повороте теплообменника. 84

      3.2.3. Динамика опрокидывания. 90

      3.2.4. Зависимость угла опрокидывания от геометрических параметров теплообменника. 100

      3.3. Результаты дополнительных исследований.

      3.3.1 Влияние скорости поворота теплообменника. 105

      3.3.2. Влияния диаметра вытяжной шахты на устойчивость естественной циркуляции. 106

      3.3.3. Исследование взаимного влияния труб на двухтрубном теплообменнике. 107

      3.3.4. Использование газоотвода.

      3.4. Результаты визуального исследования процесса естественной циркуляции. 112

      4. Глава 4. Определение угла опрокидывания.

      4.1. Физическая модель. 120

      4.2. Расчетная формула для угла опрокидывания. 123

      4.3. Математический анализ течения жидкости. 126

      4.3. Получение дополнительных параметров по опрокидыванию естественной циркуляции.

      4.3.1. Определение нижней границы опрокидывания естественной циркуляции.

      4.3.2. Определение угла опрокидывания для многотрубного теплообменника. 133

      4.4. Сопоставление расчетных формул с экспериментальными данными. 136

Исследование устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В числе задач, с которыми сталкивается современная теплофизика, существует проблема расчета и эффективного использования естественной конвекции, которая возникает в аппаратах, где присутствуют пространства, заполненные жидкой или газообразной средой с выраженной температурной неравномерностью. Естественная конвекция и естественная циркуляция возникает в неоднородном поле массовых сил. Особенно большое значение проблема естественной конвекции приобретает для современной техники, в частности, для атомной энергетики. Появились многочисленные приложения теории естественной конвекции в энергетике, химической технологии.

В настоявшее время при конструировании теплообменных аппаратов важным фактором является экономия электроэнергии и надежность работы. Этим факторам, несомненно, отвечают теплообменники, в • которых используется механизм естественной конвекции или иначе, естественной циркуляции теплоносителя, например, системы пассивного расхолаживания ядерных реакторов и пр. Применение теплообменных систем, работающих на естественной циркуляции очень разнообразно. Необходимо отметить, что они в ряде случаев используются в машинах и агрегатах, которые могут менять свое пространственное положение. При этом возникает проблема устойчивости циркуляции и проблема методики ее определения и расчета.

В литературе практически не приводится сведений по определению устойчивости естественной циркуляции, за исключением рассмотрения устойчивости движения теплоносителя в паровых котлах и т. п. Отсутствие данных для расчета устойчивости естественной циркуляции требует экспериментального и теоретического изучения.

Все вышеизложенное характеризует актуальность задачи «исследования естественно-конвективного и естественно-циркуляционного движения в теплообменных аппаратах. В частности, важна задача исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, так как данные теплообменники могут использоваться на установках и агрегатах, меняющих свое пространственное положение. Существенным является вопрос о влиянии таких изменений на устойчивость течения в данных теплообменниках: при изменении пространственного положения возможна ситуация смены направления движения на противоположное, т. е. опрокидывания циркуляции.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование явления опрокидывания циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой в зоне ламинарного течения.

В первой главе приводится обзор литературы, в котором отражено состояние исследований естественной циркуляции и естественной конвекции. Приведены примеры исследования естественной циркуляции и методы определения ее параметров.

Во второй главе приводится описания опытной установки, для исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, методики проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по определению угла опрокидывания циркуляции в зависимости от геометрических параметров установки и тепловой нагрузки. На основе визуализации процесса опрокидывания дано качественное описание динамики развития неустойчивости и последующего опрокидывания естественной циркуляции.

В четвертой главе приводятся физическая и математическая модели, на основании которых получены формулы для расчета угла опрокидывания, дано сопоставление экспериментальных данных с > полученными по формулам.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

— проведены экспериментальные исследования по определению динамики развития процесса опрокидывания естественной циркуляции теплоносителя при изменении пространственного положения теплообменника.

— выявлена неустойчивость течения воды при углах близких к опрокидыванию, которая объясняет картину развития процесса опрокидывания и пульсации температур на входе и выходе.

— определены границы эффективного использования естественной циркуляции воды в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при изменении его пространственного положения.

Практическая ценность работы:

— на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета угла опрокидывания естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой.

— полученные результаты использованы в конструировании теплообменных аппаратов с естественной циркуляцией охлаждающей воды.

Автор защищает:

— результаты экспериментального исследования устойчивости естественной циркуляции горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой в ламинарной зоне течения при изменении его пространственного положения.

— физическую и математическую модели и разработанную на их основе методику расчета угла опрокидывания естественной циркуляции для горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.

По материалам, представленной, диссертационной работы имеется 5 «публикаций: в сборнике Научных трудов Калужского государственного педагогического университета им. К. Э. Циолковскогов сборнике трудов XV Школы — семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" — в сборнике трудов Четвертой Национальной Конференции по Теплообмену (2-е публикации), в журнале «Известия Тульского государственного университета».

Диссертационная работа была выполнена в период 2003 — 2006 г. в лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» Калужского государственного педагогического университета им. К. Э. Циолковского под руководством доктора технических наук, профессора Мильмана О. О., которому автор выражает глубокую благодарность.

7. Результаты работы могут быть полезны при расчете систем охлаждения транспортных энергоустановок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Приведен обзор исследований, посвященных движению теплоносителя, обусловленного естественной конвекцией или естественной циркуляцией. Обоснована актуальность и практическая значимость исследований в этой области, в частности для систем охлаждения ядерных и химических реакторов.

2. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, и проведены исследования устойчивости естественноциркуляционного движения при ламинарном течении воды и воздуха в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при его повороте в сторону вытяжной шахты. Данные получены при Rej в диапазоне от 400 до 1050- Ar.

3-Ю4 до 1.2−105- Рг-от 6 до 10- l/d-от 33 до 61- hjd-от 10 до 31-^ - от у.

0.27 до 0.92- q — от 5 до 32 кВт/м. Так же исследован двухтрубный теплообменник с относительным межтрубным расстоянием b/d — от 10 до 20.

3. Выявлена зависимость угла опрокидывания от геометрических h параметров теплообменника — /, hem, -SSL. Установлено, что угол опрокидывания не зависит от тепловой нагрузки в диапазоне q — от 5 до 32 кВт/м2.

4. Вблизи угла опрокидывания выявлены пульсации расхода и температур воды на входе в теплообменник, а также наличие одновременного движения жидкости в трубе в двух противоположных направлениях.

5. На основе визуального исследования и инструментальных измерений сформулирована физическая модель процесса опрокидывания и на ее основе дана математическая модель. В качестве критерия выделен тангенс угла опрокидывания, для которого получена зависимость h to в =— &-Иопр AL + L где L — длина обогреваемого участка;

AL — длина выходного необогреваемого участка.

6. На основе физической модели (в стационарном приближении) получены уравнения для тангенса угла опрокидывания h вт tgP =—.

Иаир л п «с AL, AL.

1.7 + 2.5—L + —.

L L где ALj — длина входного необогреваемого участка. Сопоставление экспериментальных данных полученных ранее в [59] позволило распространить диапазон применения полученной формулы на диапазон параметров Red — от 400 до 1050- Ard — от 3−104 до 1.7−106- Рг — от 2 до 10- h l/d — от 33 до 61- hjd — от 10 до 31—^ - от 0.22 до 1.9- q — от 5 до 110 кВт/м2.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.П., Осипова В. Ф., Сукомел А. С. «Теплопередача». М.: Энергия, 1981, с. 108.
  2. Ф., Блэк У., «Основы теплопередачи». Пер. с англ. под ред. Анфимовой Н. А., М.: Мир, 1983, с. 240 241.
  3. .С. «Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой: Монография" — под редакцией А. Ф. Полякова. М: Издательство МЭИ, 1993. с.285 286.
  4. Ф., Блэк У., „Основы теплопередачи“. Пер. с англ. под ред. Анфимовой Н. А., М.: Мир, 1983, с. 240 241.
  5. Ю.А., Мартыненко О. Г., „Введение в теорию свободно -конвективного теплообмена“. JL: изд-во ЛГУ, 1982, с. 8,9,27,102,103.
  6. Dulong et Petit, „Des Recherches sur la mesure des temperatures et sur les lois de la chaleur“. -Ann. Chim. Phys., 1817, t.7- 1 p. 113 — 114- 2 -p.225 — 264- 3 — p.337 — 367.
  7. A., „Uber die Warmeleitung der Fliissigkeiten bei Beriicksichtigung der Stromungeninfolge von Temperaturdifferenzen“. -Ann. Phys. Chem., 1879, Bd 7, № 6, s.271 292.
  8. L., „Uber der Zeitungsvermogen der Metalle fur Warme und Electricitat“. Ann. Phys. Chem., 1881, Bd 13, № 8, s.582 — 606.
  9. J. „Theorie analytique de la chaleur“, t.2, Paris, 1903, p.658.
  10. J. „Mise en equation des phenomenes de convection calorifique et apercu sur le pouvoir fefroidissant des fluids“. c.r. Acad. Sci, 1901, t.132, № 23, p.1382 — 1387.
  11. J. „Sur le pouvoir fefroidissant d’un courant liquide on gazeux“. c.r. Acad. Sci, 1901,1.133, № 5, p.257−262.
  12. J. „Mise en equation des phenomenes de convection calorifique et apercu sur le pouvoir fefroidissant des fluids“. J. Phys., 1902, ser.4, t. l, p.65 — 71.
  13. Rayleigh Lord. „On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side“. Phil. Mag., 1916, ser.6, vol.32, p.529 — 546.
  14. I. „Convection and conduction of heat in gases“. Phys. Rev., 1912, vol.34, № 6, p.401 -422.
  15. Ray B.B. „Free and forced convection from heated cylinder in air“. -Proc. Ind. Assoc. Culit. Sci, 1920 1921, vol.6, p.95 — 105.
  16. W.S., King W.J. „Theory of heat conduction and convection from a low hot vertical plate“. Phil. Mag., 1932, ser.7, vol.13, № 87, p.887 — 906.
  17. W., Jurges W. „Das Temperaturfeld uber einer lotrechtstehenden geheizten Platte“. VDI — Z., 1928, Bd 72, № 18, s.597 — 603.
  18. H. „Die Griindgesetze der Warmeleitung und der Warmeiiberganges“. Berlin, 1921, s.271.
  19. А.А. „К теории теплообмена в потоке свободно движущегося газа“. Труды Гос. физ.-техн. лаб., 1926, вып.4, с. 43 — 89.
  20. А.А. „Физические основы теплопередачи“. JI. М.: 1926, с. 316.
  21. Е., Beckmann W. „Das Temperature und Greschwindigkeitsfeld vor einer Warme abgebenden senkrechten Platte bei naturlicher Konvektion“. — Techn. Mechan. Thermodynamik., 1930, Bd 1, № 10, s.341 -349, № 11, s.391 -406.
  22. G.B. „Modern developments in fluid dynamics“. Oxford, 1938, p.690.
  23. Eckert E.R.G., Carlson W.O., Int. J. Heat Mass Transfer, 2, 106 (1961).
  26. Lighthill M.J., 7. Mech. AppL Math., 6 (1953).
  27. Batchelor G.W., Quart» AppL Math, 12, 209 (1954).
  28. Mull W., Reiher H., Beih. Z. Gesundh-lng., 1, No. 28,1 (1930).-178
  29. Poots G., Quart. J. Mech. AppL Math., П 257, (1958).
  30. Batchelor G. W, /. Fluid Mech., X 111 (1956).
  31. Г. 3., Жуховицкий E.M., Тарунин E. J1. Численное исследование конвективного движения в замкнутой полости. -Изв.АН СССР, Механика жидкости и газа, 1966, М5, с. 56.32.0strach S., NACA TN 2863, 1952.
  32. Sattinger D.H., Selection mechanisms for pattern formation, Arch. Rational Mech. Anal., Vol. 49, 1977, p. 31.
  33. A.B., Берковский Б.М., Фертман B.E., Prog. Heat Mass Transfer, 2, 77,1969.
  34. Benard H., Ann. Chim, Phys., 7. No. 23, 62 (1901).
  35. Rayleigh L., Phil. Mag, 6, No. 32, 529 (1916).
  36. Jeffreys H., Phil. Mag., 2, 833 (1926).
  37. Jeffreys H., Proc. Ray Soc, A118,195 (1928).
  39. Malkus M.V.R., Veronis G., /. Fluid Mech., 41, 225 (1958).
  41. Pillow A.F., Aero. Res. Lab. Rept. A79, Melbourne, 1952.
  43. Krishnamurti R, /. Fluid Mech, 42, 295 (1970).
  46. Batchelor G. W, /. Fluid Mech, X 111 (1956).51.0strach S, Adv. Heat Transfer, 8, 161 (1972).
  47. B.C., Генин А. Г., Ковалев C.A. «Теплообмен в ядерных энергетических установках». М.:Атомиздат, 1974, с.133 134.
  48. И.К. «Гидродинамика паровых котлов». М.: Энергоатомиздат, 1987. с. 63 67.
  49. A.M., Стерман Л.С., Стюшин. «Гидродинамика и теплообмен при парообразовании». М.: Высшая школа, 1986, с. 47 -67.
  50. М.Е., Филиппов Г. А. «Газодинамика двухфазных потоков». М.: Энергия, 1968. с. 56−62.
  51. О.О. «Теплообмен при естественной циркуляции внутри обогреваемых труб». Теплообмен: Тр. 1-й Рос. нац. конф. М.: 1994, Т.2, с.147- 150.
  52. Технический отчет КТЗ. № 400-М-1426.
  53. С.И. Исаев, И. А. Кожинов, В. И. Кофанов и др. «Теория тепломассообмена" — под ред. А. И. Леонтьева М.: Высш. Школа, 1979, с. 53−77.
  54. В.Г. и др. «Марочник сталей и сплавов" — под ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989, с. 632 639.
  55. А.П., Берг Б. В., Витт O.K. и др. «Теплотехника" — под ред. А. П. Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 78 89.
  56. Т. К., Kiley D. D., Mangsen G.E., «Heat Transmission to Oil Flowing in Pipes». Ind. Eng. Chem., 1932, v. 24, p 273−277.
  57. L. «Die Entwickung der laminaren Geschwindigkeit und ihre Bedeutung fur die Zahigkeitsmessungen. Z. angew. Math. Mech., 1922, Bd. 2. S. 96−106.
  58. А.Д. «Гидравлическое сопротивление». М.: Строиздат. 1978. с. 108.
  59. А.С. «Расчеты теплообменных аппаратов». Л.: Судпромгиз. 1956. с 115 132.
  60. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. 2-е изд., М.: 1988. с. 26 — 32.
  61. И.Е. «Аэродинамика промышленных аппаратов». М.: Энергия. 1964. с. 14−15,55−78.
  62. М.А., Михеева И. М. «Основы теплопередачи». М.: Энергия, 1977, с. 95−96.
  63. Н.Б. «Теплофизические свойства веществ». М: Госэнергоиздат, 1956.
  64. С.Ф., Радун Д. В. «Теплотехнические измерения и приборы». М.: изд-во «Высшая школа», 1972, с. 49 51, 285 — 287.
  65. Инженерные расчеты в Mathcad. Учебный курс. СПб.: Питер, 2005.
  66. В.А., Зорин В. М. «Справочник по теплотехническому эксперименту" — под ред. В. А. Григорьева. М: Энергоатомиздат, 1988, с. 560.
  67. Кассан дрова О.П., Лебедев В. В. «Обработка результатов измерений». М.: Наука, 1970, с. 15−35.75.3убарев В.Н., Александров А. А. «Практикум по технической термодинамике». М.: Энергия, 1971, с. 12 -23.
  68. В.А., Яхантова В. Е. «Элементарные методы обработки результатов измерений. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1977. с. 9 71.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?