У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ
Заказать диплом, курсовую, диссертацию


Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Понравилось
Не понравилось





Книга жалоб
и предложений

 





Название Интенсификация теплоотдачи к кипящей пароводяной смеси в закризисной области с помощью сферический лунок
Количество страниц 147
ВУЗ МГИУ
Год сдачи 2010
Бесплатно Скачать 23274.doc 
Содержание Содержание
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение... 7

Глава 1. Интенсификации теплообмена в каналах.

Обзор литературы... 13

1.1. Способы интенсификации теплообмена... 13

1.1.1. Поверхностные турбулизаторы потока... 14

1.1.2. Закрутка потока... 20

1.2. Смерчевой эффект при продольном обтекании турбулентным потоком поверхности со сферическими углублениями («лунками») и его влияние на тепломассообмен... 34

1.2.1. Смерчевой эффект при обтекании поверхности с единичным сферическим углублением однофазным потоком... 34

1.2.2. Влияние смерчевого эффекта на гидравлическое сопротивление и теплообмен в плоских щелевых каналах и трубах... 55

1.2.3. Влияние смерчевого эффекта на теплообмен в каналах и трубных пучках при кипении... 63

1.3. Интенсификация теплообмена в закризисной области... 66

1.3.1. Особенности теплообмена в закризисной области... 66

1.3.2. Методы интенсификации теплообмена в закризисной области. 73

1.4. Постановка задачи настоящего исследования... 81

Глава 2. Методика экспериментального исследования... 83

2.1. Описание экспериментальной установки... 83

2.2. Экспериментальный участок и сменные трубки... 86

2.3. Методика проведения опытов и обработки экспериментальных данных... 94

-3-

Глава 3. Результаты экспериментального исследования... 101

3.1. Влияние лунок на величину критических тепловых потоков... 101

3.2. Исследование влияния лунок на интенсивность теплоотдачи в закризисной области... 108

3.3. Гидравлические испытания экспериментального участка с внутренними трубками всех типов... 120

Глава 4. Обобщение экспериментальных данных по интенсификации теплоотдачи лунками в кольцевом канале... 123

4.1. Физическая модель процессов тепломассообмена в лунке... 123

4.2. Обобщение экспериментальных данных... 127

Заключение... 134

Литература... 136

Приложения... 147



УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - температуропроводность, м2/с; скорость звука, м/с;

а, Ъ - геометрические размеры, мм;

С/ - коэффициент трения;

СР - коэффициент давления;

d - диаметр, мм;

/ - плотность упаковки, %;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

G - массовый расход, кг/с;

h - высота выступов, глубина лунки, мм;

hid - относительная высота выступов, относительная глубина лунки;

Н - высота, шаг спирали, мм;

Hid - относительный шаг спирали;

/ - ток, А;

/ - длина, мм;

п - количество, ед.;

N - электрическая мощность, кВт;

Р - давление, МПа;

q - плотность теплового потока, кВт/м2;

Q - тепловая мощность, кВт;

г - скрытая теплота парообразования, кДж/кг;

R - радиус, мм;

Rid - относительный радиус;

S - шаг турбулизаторов, мм;

Slh - относительный шаг турбулизаторов;

Т - температура, К;

U - напряжение, В;

-5-

pw - массовая скорость, кг/(м с);

w - скорость, м/с;

X -относительная энтальпия теплоносителя; при 0<Л^<1 - массовое

расходное паросодержание потока; х,у -координаты; z - число заходов спирали, координата;

а - коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2К);

Р - геометрический угол, град.;

8 - ширина кольцевого зазора, ширина щели плоского канала, мм;

Д - разность величин;

8 - интенсивность турбулентности, %;

* г) - коэффициент полезного действия;

(j. - динамическая вязкость, Н-с/м2;

v - кинематическая вязкость, м/с;

Н, - коэффициент трения;

р - плотность, кг/м3; удельное электрическое сопротивление, Ом-м;

ф - угол закрутки потока, град.;

Ей = ДР/(рн>2) - число Эйлера;

^ М = w/a - число Маха;

Nu = adIX - число Нуссельта;

Pr = via - число Прандтля;

Re = pwdf\x - число Рейнольдса.

ИНДЕКСЫ

в - внутренний;

вог -вогнутый;

вх - вход;

вып - выпуклый;

вых - выход;

гл - гладкий;

кр - критический;

л - лунка;

н - наружный;

п - поток;

пе - перегрев;

поп - поперечный;

пот - потери;

пр - продольный, прямой;

р - расчетный;

с - скругление;

ст - стенка;

ст. - скелетные таблицы;

э - эквивалентный, экспериментальный;

т, п — показатели степени;

max - максимальный;

min -минимальный;

s - насыщение;

оо - невозмущенный поток;

' - вода на линии насыщения;

" - водяной пар на линии насыщения;

~ - среднее значение величины.

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию влияния системы сферических лунок на критические тепловые потоки и коэффициенты теплоотдачи при кипении пароводяной смеси в кольцевом канале в закри-зисной области.

Актуальность темы. Проблема интенсификации теплообмена давно стоит перед исследователями и инженерами. К настоящему времени накоплен большой опыт в этой области. Изобретено, исследовано и применяется на практике большое количество методов интенсификации теплоотдачи в каналах, при течении в них как однофазных теплоносителей, так и двухфазных сред. Применение различных способов интенсификации теплообмена может существенно повысить теплоотдачу, однако в подавляющем большинстве случаев это влечет за собой существенный рост гидравлического сопротивления, увеличивающий затраты на циркуляцию теплоносителя в рабочем контуре и часто делающий интенсификацию теплоотдачи неэкономичной.

В конце 80-х годов прошлого века внимание специалистов привлек эффект увеличения интенсивности теплоотдачи при обтекании жидкостью или газом теплообменной поверхности с выдавленными на ней сферическими углублениями, иначе называемыми «лунками». Изучение физики протекающих при этом процессов показало, что при обтекании потоком лунок в них самогенерируются вихревые течения в виде смерчей, нарушающие известную аналогию Рейнольдса между теплообменом и обменом импульсом. Проведенные исследования с однофазными потоками показали, что в этих условиях интенсивность теплоотдачи увеличивалась в 1,5-3 раза, причем вопреки ожиданиям сопротивление возрастало не так значительно, а иногда даже оставалось на прежнем уровне. Отмечено также, что чем менее интенсивна начальная теплоотдача от гладкой поверхности, тем заметнее эффект ее интен-
сификации лунками. При сильно развитой турбулентности с мощными вихрями относительный вклад смерчевого эффекта должен снижаться, что подтвердилось при изучении указанного эффекта в условиях кипения жидкости на теплоотдающей поверхности: интенсификация теплоотдачи оказалась несущественной.

Кипение жидкости на обогреваемой поверхности широко используется для эффективного охлаждения теплоотдающих поверхностей различных аппаратов, для генерации пара в теплоэнергетике. При этом предельным тепловым потоком является критический, когда либо имеет место переход от пузырькового режима кипения к пленочному (кризис первого рода), либо, при дисперсно-кольцевом режиме обтекания стенки пароводяной смесью, кипящая на ней пленка жидкости высыхает вследствие недостаточной интенсивности орошения стенки летящими в потоке каплями (кризис второго рода). В обоих случаях кризис сопровождается резким повышением температуры стенки: большим при кризисе первого рода и заметно меньшим при кризисе второго рода. В первом случае трубы, даже изготовленные из нержавеющей стали или жаропрочных хромоникелевых сплавов, разрушаются от потери прочности или прогорают. Во втором - существует область режимных параметров (высокие давления и массовые скорости), при которых наступление кризиса кипения приводит лишь к умеренному повышению температур стенки, не превышающих допустимые (около 900 К), при которых возможна длительная работа испарительных поверхностей в условиях ухудшенной теплоотдачи к рабочей среде. Именно в этой закризисной области, где отсутствует контакт стенки с жидкой фазой и теплота отводится только через паровой пристенный слой и где коэффициенты теплоотдачи невелики, интенсификация теплообмена приобретает особое значение. Здесь смерчевые структуры, самогенерируемые в лунках, должны выбрасывать от стенки в поток перегретую паровую массу, а на ее место всасывать теплоноситель из пароводяного потока, содержащий капли насыщенный или слабо перегретый пар. Можно ожидать, что столь интенсивный массоперенос у стенки приведет к повыше-
нию критических тепловых потоков, а при их достижении существенно снизит величину температурного скачка. Последующее увеличение теплоотдачи в закризисной зоне снизит температуру стенки, обеспечив необходимую надежность работы теплообменных поверхностей, и расширит область рабочих параметров в сторону уменьшения массовых скоростей и паросодержаний, а также повышения допустимых тепловых потоков.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование интенсификации теплоотдачи с помощью сферических лунок к кипящей пароводяной смеси в закризисной области при вынужденном ее движении в кольцевом канале.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены новые экспериментальные данные по критическим тепловым потокам в широком диапазоне изменения режимных параметров (давление Р= 17,7 •*• 21,7 МПа, массовая скорость ри> = 200ч-550кг/(м2с), относи-

тельная энтальпия (паросодержание) X от недогрева воды до перегретого пара) в кольцевом канале со сферическими лунками при различном их расположении на обогреваемой поверхности и проведено сравнение с данными по критическим тепловым потокам в гладком кольцевом канале.

2. Получены новые экспериментальные данные по коэффициентам теплоотдачи в закризисной области для кольцевого канала с различной геометрией расположения лунок и проведено сравнение с коэффициентами теплоотдачи в гладком канале при различных режимных параметрах рабочей среды.

3. Получена обобщающая зависимость для теплоотдачи в виде эмпирической формулы в безразмерных критериях, учитывающая, как режимные параметры теплоносителя, так и геометрические характеристики экспериментального кольцевого канала.

Практическая ценность работы определяется полученными новыми данными по интенсификации теплоотдачи лунками при кипении пароводяной смеси в кольцевом канале в закризисной области теплообмена, характер-
ной для режимов работы аппаратов кипящего типа теплоэнергетических установок, в том числе прямоточных паровых котлов высокого и сверхвысокого давления.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные по влиянию систем сферических лунок и геометрии их расположения на критические тепловые потоки при движении в кольцевом канале кипящей пароводяной смеси.

2. Экспериментальные данные по влиянию на коэффициенты теплоотдачи в закризисной области кипения пароводяной смеси лунок и их расположения на теплоотдающей поверхности.

3. Обобщающая эмпирическая зависимость для теплоотдачи к пароводяной смеси в закризисной области, справедливой в пределах исследованного диапазона режимных и конструктивных параметров.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Закрутка потока для повышения эффективности теплообменников» (Москва, 2002 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 4 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 172 страницах, включающих 87 рисунков, 92 наименования литературы, 21 страницу таблиц экспериментальных данных.

Содержание работы. Во Введении изложены цели работы и определен круг задач, подлежащих решению в процессе исследований; сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и приведена структура диссертации.

В первой главе дан аналитический обзор публикаций, посвященных исследованию известных методов интенсификации теплообмена, использующих для повышения теплоотдачи как турбулизацию пристенных погранич-
ных слоев теплоносителя с помощью дискретных выступов, так и закрутку потока различными устройствами, а также различные комбинации этих методов применительно к течению в каналах однофазных теплоносителей - воды и воздуха. Обозначены основные преимущества и недостатки существующих методов интенсификации теплообмена. Рассмотрены структура течения и теплообмен в уединенной сферической лунке, а также влияние на те-плогидравлические характеристики каналов нанесенных на их теплоотдаю-щую поверхность систем сферических лунок. Проводится анализ особенностей теплообмена при кипении в закризисной области и методов интенсификации теплообмена в этих условиях. По результатам анализа делается вывод о перспективности исследований влияния на теплообмен в закризисной области смерчевых структур, самогенерирующихся в лунках.

На основании материалов литературных данных сформулированы основные задачи настоящего исследования.

Во второй главе, посвященной методическим вопросам проведения экспериментов, описаны экспериментальный парогенерирующий стенд, экспериментальный участок и сменные трубки с различной геометрией расположения сферических лунок на их наружной поверхности, методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования. Получены массивы данных по критическим тепловым потокам и коэффициентам теплоотдачи в кольцевом канале гладком и с лунками в условиях изменения давления Р от 17,7 до 21,7 МПа, массовой скорости pw от 200 до 550 кг/(м2с) и относительной энтальпии X от недогрева воды до перегретого пара. Проведено исследование влияние наличия лунок и их расположения на гидравлическое сопротивление в канале.

В четвертой главе дается физическая модель процессов тепломассообмена в лунке в условиях кризисов кипения первого и второго рода, а также в закризисной области. Проводится обобщение полученных экспериментальных данных по коэффициентам теплоотдачи в кольцевом канале с системой
сферических лунок с получением зависимости в виде эмпирической формулы, справедливой в диапазоне исследованных режимных параметров среды и геометрических параметров экспериментального канала.

В заключении дается краткое изложение результатов данной работы.

В приложении приводятся массивы полученных экспериментальных данных по критическим тепловым потокам и коэффициентам теплоотдачи, сформированные в виде таблиц.

Работа выполнена в Институте высоких температур Российской академии наук при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №98-02-17323).
ГЛАВА 1

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Способы интенсификации теплообмена

Необходимость интенсификации теплообмена с целью повышения надежности различных агрегатов и уменьшения их массогабаритных характеристик стимулировала активную разработку способов и конструкций, позво- ливших решить поставленную задачу. Для этого были созданы интенсифика-торы теплообмена самых различных типов, многие из которых прочно заняли место в современном теплообменном оборудовании.

Применительно к течению однофазных теплоносителей в качестве ин-тенсификаторов используются:

турбулизаторы потока на поверхности, в т.ч. искусственная шероховатость и оребрение;

закрутка потока шнековыми устройствами, завихрителями, устанавли- ваемыми на входе в канал;

подмешивание к газовому потоку твердых частиц;

вращение поверхности теплообмена и ее вибрация;

пульсации расхода теплоносителя;

воздействие на поток электрических полей;

отсос теплоносителя из пограничного слоя.

Часто прибегают к комбинированным методам интенсификации (сочетание турбулизаторов с оребрением поверхностей; применение спиральных ребер, одновременно закручивающих поток; сочетание турбулизаторов с закруткой потока).
Необходимо отметить, что при выборе того или иного метода интенсификации теплообмена для практического применения приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и технологичность ее изготовления и сборки в составе теплообменных аппаратов, прочностные требования, загрязняемость поверхности отложениями пыли, грязи, солей. Все эти обстоятельства часто накладывают существенные ограничения при выборе конкретного метода интенсификации.

Другим немаловажным ограничением часто является сопровождающее интенсификацию теплообмена существенное увеличение гидравлического сопротивления в канале, ведущее к росту энергетических затрат на циркуляцию теплоносителя через теплообменный аппарат. Ясно, что необходимо стремиться к существенному увеличению теплоотдачи при умеренном росте гидравлического сопротивления.

Предельно жесткая постановка задачи возникает при создании теплообменников и систем охлаждения в условиях ограниченности их массогабарит-ных характеристик и затрат мощности на циркуляцию теплоносителя. Так, например, разработанная в середине 50-х годов транспортная газотурбинная установка замкнутого цикла [1] могла быть создана лишь при условии уменьшения габаритных размеров трубчатых холодильника и регенератора, как минимум, в 1,5 раза против расчетных. Решить проблему оказалось воз- можным заменив стандартные теплопередающие поверхности на интенсифицирующие, позволившие увеличить теплоотдачу при тех же затратах мощности на циркуляцию теплоносителя и, таким образом, уменьшить габариты установки.

1.1.1. Поверхностные турбулизаторы потока

Изучение и анализ гидродинамической структуры турбулентного потока в трубах и межтрубном пространстве, полей температур и тепловых потоков показали, что при турбулентном течении газов и воды целесообразно турбу-лизировать лишь пристенный слой. Для этого в трубах используются перио-
дически расположенные поперечные выступы - турбулизаторы. Различные виды таких турбулизаторов приведены на рис. 1.1. Положительное влияние турбулизаторов на теплообмен было отмечено еще в 1921 г. в [2]. Создаваемые этими выступами вихревые зоны служат источником дополнительной турбулизации пограничного слоя. Когда в результате действия диссипатив-ных сил турбулизирующее влияние предыдущего выступа ослабевает, следу-
Эти выступы не должны быть расположены слишком часто. При частом расположении турбулизаторов (SIh < 5), возникающие за ними турбулентные пульсации не успевают заметно угаснуть на пути к следующему турбулиза-тору. В этом случае они будут диффундировать в ядро потока, увеличивая там интенсивность турбулентных пульсаций. Именно так происходит в шероховатых трубах. В результате возникают достаточно большие гидравлические потери на дополнительную турбулизацию ядра, которая мало увеличивает теплоотдачу.

При относительных расстояниях между турбулизаторами SIh ~ 10-20 генерируемые ими турбулентные пульсации переносятся основным потоком вблизи стенки. Именно турбулизация этой пристенной области приводит к существенному увеличению теплоотдачи при минимальном росте гидравлических потерь.
При больших расстояниях между турбулизаторами дополнительная турбулентность, возникающая за ними, угасает, и остальной участок канала с Slh > 50 до следующего турбулизатора мало отличается по структуре потока от обтекания гладкой поверхности канала.

Как свидетельствуют многочисленные эксперименты, при заданной форме и высоте турбулизаторов h максимальные значения Nii/Nu^ и ^/^Гл действительно достигаются при Slh ~ 10-20, причем максимум ?/?гл особенно сильно зависит от формы турбулизаторов и связанных с ней трехмерных и нестационарных вихревых структур. Так, в исследованиях [3] экспериментально изучалось влияние на интенсивность теплообмена поперечных ребер-турбулизаторов треугольного и прямоугольного профилей (рис. 1.1, а и б) при различных относительных шагах Slh в условиях подъемного движения воды в кольцевом канале с шириной щели 5 = 1,5 -г 1,64 мм при отношении dn/dB =1,26. Анализ всего опытного материала позволил заключить, что наиболее эффективной является поверхность нагрева с турбулизаторами как треугольного так и прямоугольного типа при относительном шаге Slh = 12. В этом случае по сравнению с гладким каналом теплоотдача возрастает в 2 раза для поверхности с турбулизаторами треугольного профиля и в 2,6 раза - для прямоугольных турбулизаторов. Гидравлическое сопротивление при этом возрастает в 1,8 и 3,3 раза соответственно. Изучение пилообразных турбулизаторов с движением теплоносителя вдоль и против «зуба» (рис. 1.1, д и е соответственно) показало, что в тепловом отношении такие поверхности менее эффективны, чем рассмотренные поверхности с турбулизаторами треугольного и прямоугольного профилей [3].

Аналогичные результаты получены в работах [4-8] при течении в каналах газовых теплоносителей.

В работе [9] при течении воздуха в обогреваемом кольцевом канале определялось влияние относительного шага выступов Slh на теплогидравличе-ские характеристики канала при разных высотах кольцевых ребер-турбулизаторов (А = 0,03 +0,1 мм) в диапазоне чисел Re от 2,5-104 до
6,5-10 . Анализ результатов экспериментов показал, в частности для /г = 0,1 мм, что зависимости теплогидравлических характеристик проходят через максимум также как и в [6] при S/h = 10.

Следует отметить, что на гидродинамику в канале помимо формы существенно влияет и высота выступов h. Так, в той же работе [9] исследования при постоянном относительном шаге S/h = 10 и меняющейся высоте выступов от 0,03 до 0,1 мм показали, что с увеличением h рост гидравлического сопротивления в канале (в 1,7 раза) опережает рост теплоотдачи (в 1,3 раза) при Re = 5-105.

В исследованиях [10] было установлено, что при одинаковой высоте, но разной форме наиболее эффективны плавно очерченные выступы (рис. 1.2), в частности, каплеобразного профиля (рис. 1.2, б), который характеризуется наименьшим коэффициентом лобового сопротивления из всех исследованных в данной работе конфигураций турбулизаторов. Это же подтверждается и в работе [11], где при одинаковой высоте выступов h и равном расстоянии между ними S наименьшее увеличение сопротивление наблюдалось для сглаженных (полусферических) выступов (рис. 1.2, а) по сравнению с выступами трапециевидной и прямоугольной формы.
Применительно к цилиндрическим трубам оказалось целесообразным использовать поперечные канавки и выступы. Для этого была разработана серийная технология накатки трубок. По этой технологии образовывались периодические, расположенные с заданным шагом S канавки на наружной поверхности труб и плавно очерченные выступы (диафрагмы) заданной
Список литературы
Цена, в рублях:

(при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)		 1425
Скачать бесплатно 23274.doc 





Найти готовую работу


ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:


Связаться

Доставка любой диссертации из России и Украины

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ


Ссылки:

Выполнение и продажа диссертаций, бесплатный каталог статей и авторефератов

Счетчики:

Besucherzahler
счетчик посещений

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.