Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО
ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ 10
1.1. Особенности конструкции и условий работы графитового теплообменного оборудования. .10
1.2. Интенсификация теплообмена за счёт воздействия на поток жидкости перед входом в каналы. ...16
1.3. Интенсификация теплообмена за счёт воздействия на поток жидкости внутри каналов... ...25
1.3.1. Интенсификация теплообмена с помощью установленных в канале вставок... 26
1.3.2. Интенсификация теплообмена созданием неоднородностей давления в потоке за счёт течения в канале сложной конфигурации...29
1.4. Выводы и постановка задачи;... .32
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИШЖЯ ГЕОМЕТРИИ ВХОДНЫХ
УСТРОЙСТВ ГРАФИТОВЫХ БЛОЧНЫХ АППАРАТОВ НА ТЕПЛООБМЕН В
КАНАЛАХ 34
2.1. Выбор метода измерения локальных коэффициентов теплоотдачи. .37
2.2. Экспериментальная установка для исследования локального теплообмена. .38
2.3. Обработка опытных данных .43
2.3.1. Методика обработки результатов эксперимента 43
2.3.2. Машинная обработка результатов опыта... 46
2.3.3. Тарировочные опыты... 49
2.4. Программа исследований. .53
2.5. Результаты опытов и их анализ .53
2.6. Выводы и рекомендации 70
3.ИНТЕНСИФИКАЦШ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ МЕТОДОМ
АВТОКОЛЕБАНИЙ ЛЕНТОЧНОГО ПУЧКА 72
3.1. Изучение характера движения ленточных турбулизаторов с помощью скоростной киносъёмки 73
3.2. Анализ механизма интенсификации теплообмена при использовании метода автоколебаний ленточного пучка...78
3.3. Исследование равновесия лент в потоке жидкости 86
3.3.1. Теоретическое обоснование метода расчёта 86
3.3.2. Алгоритм расчёта равновесия ленты а потоке 97
3.3.3. Экспериментальное уточнение некоторых расчётных формул 105
3.3.4. Результаты расчёта равновесной конфигурации лент
3.3.5. Выбор характеристик лент, используемых для реализации метода автоколебаний .III
3.4. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления при использовании метода автоколебаний 116
3.4.1. Методика проведения экспериментов 117
3.4.2. Результаты исследования и их анализ 123
3.5. Выводы. 135
4. РАЗРАБОТКА АППАРАТОВ ГРАФИТОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК 137
4.1. Блочный графитовый теплообменник 137
4.2. Графитовый кожухотрубчатый теплообменник 143
4.3. Выводы 148
ЗАКЛЮЧЕН И Е 149
ЛИТЕРАТУРА 150
ПРИЛОЖЕНИЯ 162
- Особенности конструкции и условий работы графитового теплообменного оборудования.
- Выбор метода измерения локальных коэффициентов теплоотдачи.
- Изучение характера движения ленточных турбулизаторов с помощью скоростной киносъёмки
- Блочный графитовый теплообменник
Особенности конструкции и условий работы графитового теплообменного оборудования
Под интенсификацией теплообмена принято понимать увеличение плотности теплового потока О в аппарате. Из уравнения теплоотдачи следует, что эта цель может быть достигнута увеличением либо среднего температурного напора Л t , либо коэффициента теплоотдачи оС Так как возможности увеличения At ограничены, и, как правило, учтены при проектировании схемы включения теплообменника, то в данной работе рассматривается интенсификация теплообмена только за счёт увеличения аС Существует множество конструктивных и режимных средств интенсификации. Выбор метода увеличения сС определяется конструкцией и условиями работы конкретного теплообменника. Поэтому для того, чтобы оценить возможности известных способов интенсификации применительно к графитовым теплообменникам, предварительно рассмотрим условия работы и конструкцию этих аппаратов.
I.I. Особенности конструкции и условий работы графитового теплообменного оборудования Теплообменная аппаратура из графитовых материалов выпускается в СССР [2] и за рубежом [3, 4]. Графитовые материалы являются коррозионностойкими и призваны заменить дефицитные и дорогостоящие металлы во многих отраслях химического производства и цветной ме -таллургии. Высокая теплопроводность, стойкость к агрессивным ере -дам и температурным перепадам, лёгкость механической обработки, малая загрязняемость,- все эти качества характеризуют графитовые материалы как перспективные при создании теплообменной аппаратуры для агрессивных сред. Наиболее распространёнными графитовыми материалами в СССР являются пропитанный графит и графитопласт AIM - I. Пропитанный графит изготавливается из тонкоразмолотых углеродных материалов, прошедших операции прессования и графитации при высоких температурах, а затем пропитанных фенольными смолами. Графи-топласт ATM - I - это пластмасса, представляющая собой композицию фенольформальдегидной смолы и мелкодисперсного искусственного графита.
Выбор метода измерения локальных коэффициентов теплоотдачи
Для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи обычно используются методы стационарного теплового потока и регулярного теплового режима. В основу метода стационарного теплового потока положено известное уравнение Ньютона - Рихмана:
t - температура жидкости. Если величины, входящие в это уравнение, относить к достаточно малому элементу поверхности тела, то из него определяются локальные значения коэффициента теплоотдачи оС . Для измерения локальных коэффициентов теплоотдачи исследователями разработаны различные экспериментальные методы:
1) "кипения" [97J или "конденсации" [35 J , в которых величина о, подочитывалась по количеству собранного пара или конденсата на данном участке экспериментального канала ;
2) "толстостенной трубы" [98] , в котором судят о тепловом потоке в данном сечении на основании измерений температур на внешней и внутренней поверхностях труб;
3) альфакалориметров [99J - полых цилиндров из дюралюминия,занимавших часть исследуемой поверхности теплообмена, их работа основана на закономерностях регулярного режима ;
Проанализировав с точки зрения поставленной выше задачи применявшиеся методы определения локальных коэффициентов теплоотдачи, было решено применить в данной работе метод "конденсации". Сущ -ность его заключается в следующем. Опытный участок обогревается паром. Паровая рубашка разделена перегородками на секцаи. По количеству конденсата, собранного в секции, можно судить о количестве тепла, воспринятого жидкостью на данном участке. Данный способ определения оС позволяет произвести следующие упрощения в экспериментальной методике. Для воздуха при использовании парового обогрева отпадает необходимость измерения температуры поверхности опытного участка. Её можно считать равной температуре насыщения при данном давлении, так как коэффициенты теплоотдачи при конденсации пара ( оС = 10 .Вт/См2 К) ) и вынужденном течении воздуха ( сС = І02 Вт/(м2 К) ) отличаются на 2 порядка и разница температур стенки и пара не превысит I 0. При известном характере изменения теплового потока по длине трубы температура в рассматриваемом сечении может быть определена расчётным путём, т.е. не требуется вводить в поток какие-либо датчики температуры, искажающие картину течения.
Изучение характера движения ленточных турбулизаторов с помощью скоростной киносъёмки
Изучения поведения гибких лент в потоке газа был изготовлен канал квадратного сечения 57x57 мм2 с двумя прозрачными стенками из органического стекла, на одной из которых была нанесена измерительная сетка. Такая форма и размеры канала были выбраны из соображений удобства проведения киносъёмки. Теп -лообмен при этом не моделировался, поэтому такое отличие формы от наиболее распространённой круглой не имело значения с точки зрения теплобмена. Канал был присоединён к напорной магистрали вентилятора. Для регулирования расхода воздуха использовалась дроссельная заслонка, а измерение расхода производилось с помощью сдвоенных диафрагм. Движение ленты в газовом потоке фиксировалось на киноплёнку скоростной кинокамерой CKC-IM-I6. Частота кадров съёмки регулировалась изменением напряжения, подаваемого через лабораторный автотрансформатор на обмотки электродвигателя камеры. В опытах скорость воздуха менялась от 4,47 до 11,5 м/с, а частота кадров съёмки была 750 800 кадров в секунду. Были проведены 4 серии опытов: в трёх из них использовалась лента из кримплена шириной 10 мм, длина которой от серии к серии менялась от 120 до 4 мм; в четвёртой серии изучалась поведение шёлковой нити длиной 480 мм в воздушном потоке. В каждой серии было проведено по 3 опыта, в которых для данной ленты ( нити ) изменялся расход воздуха. Наблюдения показали, что при достаточной скорости газа в канале возникают волнообразные колебания лент, причём лента периодически касается поверхности канала точками, находящимися в вершинах волн, и, в особенности,своим незакреплённым концом. На рис. 3.1 представлены фотографии положений ленты в разные моменты времени. Из опытов установлено:
1. Колебания ленты наблюдаются как при ламинарном, так и при турбулентном течении газа.
2. Колебания лент носят нерегулярный, несинусоидальный характер. При больших скоростях газа на колебания ленты некоторой частоты накладываются колебания более низких частот.
3. Колебания происходят в двух плоскостях,- продольной и поперечной,- и сопровождаются крутильными колебаниями.
4. Амплитуда колебаний ленты в продольной плоскости существенно больше, чем в других направлениях.
5. Амплитуда колебаний различных участков ленты меняется в широких пределах, наибольшую амплитуду имеет свободный конец ленты.
6. С ростом длины ленты при данной скорости воздуха увеличивается и амплитуда колебаний свободного конца ленты, касающегося в отдельные моменты времени и нижней поверхности канала.
Блочный графитовый теплообменник
В обычной конструкций этого типа графитовых теплообменников, как это показано во второй главе, используются блоки с одинаковым диаметром вертикальных каналов и соосным расположением этих каналов в соседних блоках. Возможности использования известных способов интенсификации теплообмена в таких аппаратах подробно рассмотрены в обзорной главе. Установлено, что известные устройства либо сложны по конструкции, либо требуют дополнительных затрат для их осуществления. Цель нашего предложения заключается в повышении теплообмена в блочном аппарате за счёт резкого изменения поля скорости в переходной камере путём смещения осей вертикальных кана -лов смежных блоков. При этом не требуется дополнительных затрат на изготовление блоков и не происходит усложнение конструкции теплообменника. Данное предложение базируется на результатах экспери -ментального исследования, описанного во второй главе. Как было установлено в опытах, при смещении осей входного патрубка, имитировавшего канал предшествующего блока, и канала достигается увеличение средней теплоотдачи в канале на 20+40 %, причём чем короче канал, тем выше интенсификация теплообмена (см, табл; 2,2). В соответствии с этим результатом в предлагаемом теплообменнике оси вертикальных каналов смежных блоков смещены по отношению друг к другу и могут иметь разный диаметр. Если каналы разного диаметра, то смещение осей достигается автоматически, поскольку межосевое расстояние в соседних блоках получается различным. В случае каналов равного диаметра оси каналов в смежных блоках смещаются преднамеренно. Такая конструкция обеспечивает резкое изменение поля скорости в переходной камере за счёт турбулизации потока и (или) за счёт изменения поперечного сечения потока. Рассмотрим два варианта компоновки теплообменника, состоящего из двух блоков с каналами одинакового диаметра (Д = 18 мм), при соосном их расположении и при смещений осей рядов в соответствии с рекомендациями, полученными во второй главе, на 0,5 шага ( 24 мм ). Так как при смещении меняется только расстояние от оси ряда до края блока, а не число каналов, то можно считать, что поверхность теплообмена в обоих сравниваемых вариантах одинаковая. Интенсивность же теплообмена в аппарате со смещением выше: согласно полученным во второй главе результатам при5м= 24/18 = 1,33 и /d = 350/18 = 19,4 увеличение средней теплоотдачи составит около 20 % (см. табл. 2.2).
Предлагаемый теплообменник изображён на рис. 4.1 4- 4.2, причём на рис. 4.1 показан теплообменник, составленный из блоков с каналами одинакового диаметра, а на рис. 4.2 показан теплообменник, составленный из блоков с каналами разного диаметра.
Теплообменник собирается из отдельных блоков 2, 3, в которых просверлены вертикальные каналы Б либо одинакового диаметра с преднамеренно смещёнными осями (рис. 4.1), либо разного диаметра (рис. 4.2). Число блоков в аппарате должно быть не менее двух. Между соседними блоками имеются переходные камеры В. Сверху и снизу теплообменник замыкается крышками с патрубками 1,4 для подвода и отвода теплоносителей.
