Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 7
-
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА II
-
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СТЕНДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ И КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ЦИКЛОННЫХ КАМЕРАХ
С ПЕРИФЕРИЙНЫМ ВЫВОДОМ ГАЗОВ. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ 47
2.1.Экспериментальные установки для исследования аэроди
намики и конвективного теплообмена в циклонных каме
рах 47
2.2.Методика измерений 61
2.3.Погрешности измерений 65
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРО
ДИНАМИКИ ЦИКЛОННЫХ КАМЕР С ПЕРИФЕРИЙНЫМ ВЫВОДОМ ГАЗОВ.... 70
3.1.Особенности движения газов в циклонных камерах с пе
риферийным выводом газов 70
3.2.Влияние геометрических и режимных характеристик на
аэродинамику циклонных камер с периферийным выводом
газов 75
3.3.Обобщение опытных данных по аэродинамике циклонных
камер с периферийным выводом газов 95
3.4.Методика аэродинамического расчёта циклонных камер с
периферийным выводом газов 105
4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ЦИКЛОННЫХ КАМЕ
РАХ С ПЕРИФЕРИЙНЫМ ВЫВОДОМ ГАЗОВ 119
4.1.Теплоотдача на боковой поверхности циклонной камеры..119 4.2.Теплоотдача круглых заготовок,расположенных в рабочем
об'ёме циклонной камеры с периферийным выводом газов.130 4.2.1.Теплоотдача круглой заготовки,соосной с циклонной
камерой 133
4.г,2,Теплоотдача садки-группы заготовок,смещённых с оси
циклонной камеры 138
4.3,Сопоставление интенсивности теплоотдачи в циклонных камерах с периферийной и торцевой системами вывода газов.Дополнительные исследования конвективного теплообмена в циклонной камере с торцевым выводом газов.146
4.3,1,Теплоотдача садки в циклонной камере с торцевым вы
водом газов 148
4.3.2.Теплоотдача заготовок,расположенных осесимметрично в
рабочем об'ёме циклонной камеры 165
4.3,3.Сопоставление интенсивности теплоотдачи в циклонных камерах с периферийными и торцевыми системами вывода
газов 170
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУР А 181
Основные условные обозначения jJK}KK,LK - диаметр, радиус, длина рабочего объема| ' циклон--
. ной камеры ; L~LK/JJK - безразмерная /отнесенная к диаметру камеры/ длина
рабочего объема ; и , tt П - безразмерные /отнесенные к диаметру камеры/ диаметр, длина, высота ; Ufa - число входных шлицев ;
/? - число выходных окон ; число заготовок в группе ; 6 - безразмерное /отнесенное к диаметру камеры/ смещение
оси заготовки с оси циклонной камеры ; f - безразмерная /отнесенная к площади поперечного сечения рабочего объема/ площадь ; X - продольное расстояние по криволинейной траектории,
отсчитываемое от среза входного шлица ; У - расстояние от стенки по нормали ; Z - размерная продольная координата, по направлению совпадает с осью камеры и отсчитывается от торца,максимально удаленного от выходных каналов ; Z - текущий радиус ; V - скорость потока ; Щ>1 Щ " безразмерные /отнесенные к средней входной скорости потока в шлицах/ компоненты скорости тангенциальная /линейная вращательная/ и осевая /продольная/ ; 'Шї1 V - компоненты вектора полной скорости соответственно в направлении осейЛТ и U ;
- безразмерная скорость ;
Р.
и - плотность потока ;
Р Р
- Р - избыточное статическое давление ;
безразмерные /отнесенные к динамическому напору
- 5 -потока во входных шлицах 0,5 /L |^ / избыточное ста-_ тическое и полное давления ;
f - безразмерное /отнесенное к максимальному динамическо-
му напору 0,5/7^, / избыточное статическое давление ;
Л Гп - перепад полного давления в камере / разность полных
_ давлений во входных шлицах и на выходе из камеры/ ;
%~ ~/№?~ ?Уша:Рва& коэффициент сопротивления, циклонной
9Л камеры;
*. Rt-г . к„ гт-г . „. ]ЦП . q Я*-гт * *«-*' У ^
- безразмерные координаты ; У* - угол закрутки потока ; V - коэффициент кинематической вязкости ; Л - коэффициент теплопроводности ; CL - коэффициент температуропроводности ; Р - коэффициент объемного расширения ; Cf Cjgx - коэффициенты трения ;
^ бо - соответственно кинематические коэффициенты турбулентного переноса количества движения и теплоты ; об - коэффициент теплоотдачи ; О - ускорение свободного падения ; Ср - изобарная теплоемкость ; й - плотность теплового потока ; It - температура ;
у - избыточная температура ;
!f= с о ч~о~ " безразмерная избыточная температура ;
От,и}Ог - толщины пограничного слоя, соответственно пристенного гидродинамического, струйного и пристенного теплового ; X - напряжение трения ; /vtlf Л hfa /к ; Nil* JL^/l^/Л ; /\lU=ldJX - числа Нуссельта ;
- б -
рЩп fyn " число Стантона;
І\Єфт - Щрт «}/)} - числа Рейнольдса;
- число ГрасгоФа;
Рг -V/г - число Прандтля;
rZr = 6g-/6o - турбулентное число Прандтля;
Индексы:
з - заготовка,изделие и т.п. ;
вх - входная /связанная с входом/ величина ;
вых - выходная /связанная с выходом/ величина ;
/7? - величина,относящаяся к максимальному значению ;
с - величина на стенке рабочего об'ёма ;
н - величина вначале основного участка струи ;
ср - среднее значение соответствующего параметра.
Введение к работе
Интенсификация технологических процессов, приводящая к повышению производительности используемого оборудования, а также к экономии материалов и топлива, является характерной чертой современного технического прогресса.
Среди различных методов, позволяющих увеличивать мощности энергетических установок, снижать их габариты и металлоемкость, особо следует отметить создание закрученного движения теплоносителей в теплообменных устройствах. Теплообменники с различными способами закрутки теплоносителей получили очень широкое распространение в современной промышленности [3, 56, 89, 106, 116, I22J. Большой практический интерес представляет использование циклонного принципа организации движения греющих газов в промышленных печах. Закрученный поток дымовых газов, равномерно обтекающий садку нагреваемых изделий, расположенных в центре рабочего объема печи, значительно интенсифицирует конвективный теплообмен к ней и повышает равномерность ее прогрева. Интенсификация теплоотдачи конвекцией к нагреваемому в печах металлу и поверхности кладки является существенным резервом повышения их производительности и снижения расхода топлива, что отвечает требованию экономии и рационального использования топливных ресурсов [її, 24, 52, 76, 128]. фіклонно-вихреше нагревательные устройства широко используются для термообработки роторов, валов, дисков и других крупногабаритных деталей для паровых, газовых турбин и компрессорных машин, сварных конструкций, для нагрева заготовок под ковку, штамповку, в качестве печей скоростного нагрева металла [її, 12, 15, 52, 68, 76, 126 ] . Благодаря высокой скорости нагрева изделий повышается качество продукции, уменьшаются потери металла с окалиной, снижа- - 8 -ется обезуглероживание поверхности, тепловая инерционность печей, повышаются возможности более полной автоматизации теплового режима.
В условиях закрученного потока греющих газов значительно возрастает роль конвективной составляющей к нагреваемой поверхности в общей величине теплового потока к ней. По данным различных исследователей доля прямой конвекции в теплоотдаче к изделию от газов составляет от 10% при низких скоростях движения потока до 50-60% и более [12, 70] . Причем в циклонно-вихревых нагревательных камерах весьма важную роль играет конвективный теплообмен не только к металлу, но и к кладке печи. В этом случае возрастает теплоотдача к металлу за счет тепла,переданного кладке конвекцией и переизлученного затем на заготовку. Доля конвекции оказывается весьма высокой даже в том случае, если непосредственно конвективный теплообмен между газами и нагреваемой заготовкой невелик [12б] . Преимущества циклонно-вихревых нагревательных устройств обусловлены в первую очередь их аэродинамикой. Поэтому всестороннее исследование аэродинамики таких устройств в сочетании с изучением конвективного теплообмена, определение их оптимальных форм и размеров представляет важную практическую задачу.
В нашей стране многие научные коллективы успешно ведут экспе- . риментальные и теоретические исследования рабочих процессов в циклонных устройствах различного технологического назначения. Особо следует отметить такие научно-исследовательские институты, проектные организации и вузы как ЦКТИ, ВГЙ, МО ЦКТЙ, КазНИЙ энергетики, ВНЙИПромгаз, МВТУ, МЭИ, ЛПЙ, БПИ, ДвПЙ, АЛТЙ. Однако, все еще широкое и эффективное использование вихревых устройств в промышленности в значительной мере сдерживается из-за недостатка научно-обоснованных рекомендаций по их проектированию и расчетам. В частности, в различных отраслях промышленности, наряду с обычными циклонно-вихревыми камерами, имеющими торцевой осесимметричный вывод газов, широкое применение получили циклонные устройства с периферийным выводом продуктов сгорания [14, 15, 24, 25, 33, 46, 47, 52, 76, 77, 127, 131] . Использование их обусловлено возможностью упростить компоновку оборудования и эксплуатационные условия, сохранив при этом большие преимущества, которые дает применение закрученных потоков для интенсификации процессов тепло-массо-обмена. Вихревые устройства с периферийным выводом газов имеют малую инерционность, обладают возможностью автоматизации термических обработок по разнообразным сложным режимам, позволяют более просто и экономично осуществлять рециркуляцию газов для обеспечения высокой степени равномерности температуры по объему рабочего пространства печи. В то же время аэродинамика таких устройств изучена крайне слабо и совершенно отсутствуют какие-либо данные по конвективному теплообмену. Нет методик их теплового и аэродинамического расчетов.
Повышение производительности и экономичности работы промышленных печей связано с более рациональным и полным использованием их рабочего объема. Однако, вопросы конвективного теплообмена в циклонных устройствах с высокой степенью загрузки рабочего объема в настоящее время изучены недостаточно.
Одним из наиболее рациональных и часто встречающихся способов нагрева изделий с малым относительным диаметром является нагрев их в садке, когда заготовки располагаются в группе симметрично относительно оси камеры. Тем не менее недостаток экспериментального материала по теплоотдаче к садке, отсутствие каких-либо данных по распределению местных коэффициентов теплоотдачи по поверхности нагреваемых заготовок не позволяет производить обоснованный расчет их нагрева в печах с закрученным движением теплоносителя и, в конечном счете, затрудняет осуществление равномерного прогрева изделий.
Все это указывает на необходимость проведения специальных исследований перечисленных выше практически важных вопросов.
Настоящая работа состоит из четырех глав. В первой главе диссертации дается обзор выполненных исследований по аэродинамике и конвективному теплообмену в циклонных устройствах различного назначения. Обоснована необходимость дальнейшего их изучения и определены задачи исследования. Во второй главе производится описание экспериментальных установок и методики изучения аэродинамики и конвективного теплообмена. В третьей главе анализируются результаты экспериментального исследования аэродинамики, циклонных камер с периферийным выводом газов. На основе решения задачи о течении закрученного потока предлагается методика аэродинамического расчета таких устройств. Четвертая глава посвящена изучению конвективного теплообмена к боковой поверхности и к цилиндрическим вставкам /заготовкам/, расположенным в рабочем объеме циклон- , ной камеры с периферийным выводом газов. Приводятся результаты опытов и анализа конвективного теплообмена в вертикальных цик-лонно-вихревых печах с осесимметричным торцевым выводом газов. Рассмотрена теплоотдача к одиночной, смещенной с оси потока заготовке, к осесимметрично расположенной группе заготовок, а также к заготовке большого относительного диаметра. Производится сопоставление относительной эффективности вихревых камер с торцевой и периферийной системами вывода газов. - II -
Похожие диссертации на Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах с переферийным выводом газов
