Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 12
1.1 .Гидродинамика одиночных импактных струй и их различных систем 12
1.2. Теплоотдача в одиночных импактных струях и их системах 29
1.3.Выводы и постановка задач исследований 40
2. Методика исследований 42
2.1 .Методика исследования гидромеханических условий теплообмена 42
2.2. Методика исследования теплоотдачи 46
2.3.Методика исследования состояния поверхности преграды 54
3. Гидродштамические факторы теплоотдачи в одиночных импактных струях и их различных системах 57
3.1.Гидродинамика течения в одиночных импактных струях 57
3.2. Гидромеханические особенности различных комплексов импактных струй 71
3.3.Численный прогноз локальной теплоотдачи 82
4. Характеристики теплоотдачи в одиночных импактных струях и их различных системах 86
4.1.Теплоотдача в одиночных импактных струях 86
4.2. Теплоотдача в системах импактных струй 94
4,3.Влияние импактных потоков на рельеф поверхности преграды 109
Заключение 117
Литература
- Теплоотдача в одиночных импактных струях и их системах
- Методика исследования теплоотдачи
- Гидромеханические особенности различных комплексов импактных струй
- Теплоотдача в системах импактных струй
Введение к работе
В рабочих процессах современных энергетических установок и агрегатов часто требуется передача мощных тепловых потоков от газа к поверхности. Одним из наиболее эффективных способов организации такого теплообмена является применение импактных (натекающих по нормали на поверхность) струй.
Однако во многих случаях даже уровень теплоотдачи, создаваемый традиционными «круглыми» импактными струями и их системами, оказывается недостаточным, и встаёт проблема интенсификации теплопереноса в таких потоках.
Изменение формы поперечного сечения струеобразующего канала с круглой на несимметричную (далее несимметричными называются сопла, форма поперечного сечения которых не обладает полной симметрией: квадрат, треугольник) в одиночных импактных струях и их регулярных системах приводит к значительной (до 80 и 50% соответственно) интенсификации теплоотдачи, что связано с возникновением дополнительных турбулентных перетоков в пристенном слое преграды.
Можно ожидать, что данный эффект получит дальнейшее развитие, если использовать комплексы импактных струй, образованных соплами с разной формой поперечного сечения.
Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование гидродинамики и теплоотдачи в таких комплексах - системах газовых импактных струй, образованных чередующимися соплами с разной формой поперечного сечения.
Научная новизна главных положений работы заключается в том, что автором впервые:
Разработан метод тепловизионного определения локальных и средних коэффициентов теплоотдачи между газовым потоком и преградой.
Экспериментально установлено существенное различие в
8 топографии полей давления на преграду систем импактных струй, сформированных разными комбинациями каналов круглого, квадратного и треугольного поперечных сечений.
Показано, что эффект «поворота» течения во вторичной веерной струе проявляется в системах импактных струй, независимо от конкретной комбинации форм каналов, режимных и геометрических факторов систем в исследованных пределах.
Экспериментально найдены распределения локального коэффициента теплоотдачи для одиночных импактных струй, созданных соплами круглого, квадратного и треугольного сечения, и приоритетного по уровню теплообмена ряда комплексов из струй указанной конфигурации.
Установлено, что применение исследованных комбинаций несимметричных сопел для образования систем импактных струй позволяет повысить среднюю интенсивность теплоотдачи до 27%.
В итоге обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче для систем импактных струй, истекающих из различных комбинаций каналов с формой поперечного сечения в виде круга, квадрата и равностороннего треугольника, получены критериальные зависимости среднего числа Нуссельта от чисел Рейнольдса, Прандтля, относительных расстояния и шага между соплами.
Предложен ранжированный параметр энергетической эффективности теплоотдачи, позволивший учесть при сравнении систем создаваемый ими уровень теплообмена.
Достоверность результатов основывается на достаточном уровне надежности экспериментальных данных, полученных путем сочетания различных независимых методик исследования, стабильной воспроизводимости результатов опытов и хорошем согласовании базовых экспериментальных данных с опубликованными данными других исследователей.
9 Практическая значимость
Разработана методика тепловизионной диагностики теплоотдачи газовых сред, удобная для обследования энергетических агрегатов в процессе работы (пат. 2255315 РФ).
Полученные экспериментальные данные расширяют представление о физическом содержании рассмотренных процессов, создают основу для разработки инженерных методик расчета аппаратов с системами импактных струй, образованных соплами с разной формой поперечного сечения, а также позволяют оптимизировать параметры технологических процессов с участием указанных струйных течений, что в целом позволит повысить качество проектирования новых энергетических агрегатов и устройств.
Автор защищает:
1. Метод тепловизионного определения локальных и средних
коэффициентов теплоотдачи между газовым потоком и преградой.
2. Результаты экспериментального исследования полей давления на
преграду одиночных несимметричных импактных струй и их систем,
сформированных различными комбинациями каналов круглого, квадратного и
треугольного поперечного сечения.
3. Данные о распределении локального коэффициента теплоотдачи для
одиночных импактных струй, созданных соплами круглого, квадратного и
треугольного сечения, и ряда систем из струй указанной конфигурации.
4. Результаты экспериментального исследования закономерностей
средней (по поверхности) интенсивности теплоотдачи и обобщение этих
данных в виде критериальных уравнений для исследованных систем газовых
импактных струй, истекающих из различных комбинаций каналов с формой
поперечного сечения в виде круга, квадрата и равностороннего треугольника.
5. Предложенный ранжированный параметр энергетической
эффективности теплоотдачи и результаты сопоставления на его основе свойств
указанных в п.4 систем.
10 Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены ОАО «Уралмаш-МО» при разработке струйных систем охлаждения промышленных горелочных устройств ГУП-2,8/1,5Р (горелочное устройство плоскопламенное для агломашин с шириной конвейерной ленты 2,8 м, предназначенного для работы на низкокалорийном газовом топливе).
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались и были представлены на XIV и XV Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Россия, Рыбинск, 2003; Калуга, 2005); 3- International Conference "Industrial Heat Engineering" (Ukraine, Kiev, 2003); International Symposium on Combustion and Atmospheric Pollution (Russia, St.Petersburg, 2003); Международной научно-технической конференции «80 лет Уральской энергетике. Образование. Наука» (Россия, Екатеринбург, 2003); V Minsk International Heat & Mass Transfer Forum MMF-2004 (Belarus, Minsk, 2004); V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ - 2004 (Россия, Самара,
2004); 5~ International Conference on Multiphase Flow (Japan, Yokohama, 2004); Второй Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Россия, Москва, 2005); 4* World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics (Egypt, Cairo, 2005).
Работа группы специалистов, в которой автором выполнен раздел охлаждения, удостоена на Всероссийской выставке научно-технического творчества студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» диплома за I место в номинации «Энергосбережение в энергетике» (Екатеринбург, 2004).
Диссертационная работа проведена в рамках выполнения г/б темы №1686 (гос. per. № 01200205928) «Создание теоретических основ теплотехнических процессов использования энергии топлива и других видов энергоресурсов с
целью создания эффективных методов энергосбережения и экологически
чистых энерготехнологий».
ф Автор выражает благодарность своему научному руководителю, д.ф.-м.н.
профессору Жилкину Б.П. за доброжелательное отношение и критические замечания, высказанные в процессе обсуждения работы.
Теплоотдача в одиночных импактных струях и их системах
Отличительной особенностью изменения среднего коэффициента теплоотдачи в зависимости от расстояния до преграды является отсутствие максимума, которое было характерно для локального коэффициента теплоотдачи в критической точке прИ2/#=6...8. Уже начиная сD/d=2,5 и выше средний теплообмен в импактной струе практически не зависит от расстояния z" =z/d вплоть до точки z = 6, после чего плавно уменьшается [6]. Такой характер кривых Nu(z/rf), подтверждаемый также результатами [33, 34], связан с тем, что за пределами области критической точки течение и зо теплоотдача определяются в основном условиями свободного смешения пристенного потока с окружающей средой. Аналогичные эффекты в изменении теплоотдачи в области критической точки, проявляющиеся при z »8, с увеличением площадки осреднения становятся пренебрежимо малыми в общей теплоотдаче.
На практике особый интерес представляет интенсивность средней теплоотдачи при малых расстояниях между соплом и преградой (V=2,..12). Экспериментальные исследования теплообмена для таких условий выполнены в работах [33, 35, 36 и др.]. Анализ полученных данных показал , что если ограничить размеры площадки осреднения в пределах Rid = 2,5.. J,5 , то результаты указанных работ обобщаются с погрешностью ±10% одной зависимостью Nil = 1,54 Re0 5 Рг0 33 при2/# 6,2; (1.1) R 0,5 + ln 1 + 0,5 п„0,33 iVw = 4,72Reu Pr U, ZJ. v2z J (1.2) при z/d 6,2 которая справедлива в достаточно широком интервале чисел Реинольдса Re = 2-I03...4-105.
Несмотря на достаточно основательную изученность закономерностей теплообмена в круглых импактных струях, в литературе [6] часто встречается утверждение, что оптимальное расстояние до преграды должно составлять 2 =6...8. В работе [37] получена обобщающая зависимость для среднего теплообмена, которая справедлива в диапазоне чисел Реинольдса Re = 101..2-105. Отмечается, что для обеспечения максимальной тепловой эффективности круглой импактной струи расстояние до преграды следует выбирать в пределах z = 2...3, а не 6...8. При неизменном числе Рейнольдса теплосъем струи, истекающей из отверстия с острой кромкой на преграду радиусом r"= 2,5...5, примерно на 15...20 % больше, чем теплосъем струи из профилированного сопла.
Для областей критической точки это различие достигает 30 %. Следовательно, на практике выпускные отверстия лучше выполнять с внезапным сужением в выходной части, то есть в виде диафрагм.
Следует отметить, что данные, полученные разными авторами, могут существенно отличаться друг от друга. Так, формулы, полученные на основе экспериментальных данных разными исследователями и приведенные в таблице 1, позволяют вычислить средний коэффициент теплоотдачи для круглых импактных струй, но дают расхождение в 3,5 раза и выше. Причиной такого несоответствия, по-видимому, является различие в условиях проведения экспериментов: применение разных рабочих сред и различные свойства поверхности преграды.
Различное состояние поверхности преграды и степень её шероховатости может значительно влиять на интенсивность теплообмена, усиливая или тормозя турбулентные перетоки по преграде. Также, струя, содержащая естественную пыль, может оказывать абразивное воздействие на преграду, изменяя её шероховатость. Возможность влияния струи на состояние поверхности необходимо проверить, тле. его наличие необходимо будет учитывать при проектировании устройств, в которых применяются импактные струи.
Системы симметричных импактных струй. При описании закономерностей теплообмена в системах импактных струй возникает необходимость учета геометрии системы струй (перфорированной решетки) и влияния сносящего потока, что приводит к увеличению числа параметров описывающих данный теплообмен. Это обстоятельство весьма усложняет обобщение экспериментальных данных и выработку практических рекомендаций по оптимальному подбору определяющих параметров.
В работе [28], где исследовался теплообмен пучка струй (5x5 и 7x7), показано, насколько при данных геометрических параметрах (#=3,2 мм, 5 = 16, z =24) сохраняется индивидуальность каждой струи. В количественном соотношении уровень теплообмена в критической точке струи, а также среднего теплообмена на площадке, диаметр которой равен шагу струй, удовлетворительно согласуется с расчетом по соответствующим уравнениям для одиночной импактной струи.
В системах импактных круглых струй (4x4) с большим шагом 1у =10...15 при расстояниях z =4...15 уровни и распределения локальных коэффициентов теплоотдачи практически совпадают с таковыми для одиночной импактной струи. И только при z =\ под влиянием взаимодействия соседних струй значения Оу несколько повышаются по сравнению с одиночной импактной струей.
Экспериментальные исследования, представленные в [42,43], показали, что, несмотря на многообразие геометрических размеров струйной системы, распределение ау сводится к двум основным формам: 1) при s =3,9...12; 2) при .5 =4,5...3. В первом случае имеет место волнообразное распределение локальных коэффициентов теплоотдачи с примерно постоянным средним значением и с амплитудой волны до 25%. Струи еще не теряют своей индивидуальности, и лишь к выходу из канала сносящий поток сглаживает уровни теплоотдачи. Во втором случае - это плавные кривые, протекающие по-разному в зависимости от величины z .
Методика исследования теплоотдачи
Исследование теплоотдачи в системах импактных струй разной формы проводилось на установке описанной выше (рис.2 Л). Определение интенсивности теплообмена системы струй с преградой производилось по нестационарному методу. Выбор этого метода обусловлен тем, что практически все известные технологические процессы с использованием импактных струй связаны с нагревом или охлаждением тел. Все нестационарные задачи теплообмена следует рассматривать как сопряженные [64]. Однако в предельном случае ВІ—»0, когда термическое сопротивление тела мало, возможно использование для характеристики конвективного теплопереноса на границе стенка-жидкость коэффициента теплоотдачи [64].
При использовании нестационарной методики при Ві— 0 основной измеряемой величиной является темп охлаждения, для определения которого достаточно ограничиться определением температуры в одной произвольной точке исследуемого тела. При этом тарировка термопары не обязательна, если зависимость термо-э.д.с. от температуры является линейной. К недостаткам данной методики следует отнести необходимость тщательной реализации ряда предпосылок: постоянстве температуры среды во время опыта, создание условий - критерий Био (Ві) стремится к нулю (Ві 0,1), существование линейной характеристики термопары.
Для исследования процессов теплоотдачи использовалась пластина-датчик 10 из электролитической меди диаметром 158мм и толщиной 5мм.
Предварительно нагретый датчик устанавливался в окно основной плиты через специальные переходные проставки. Противоположная рабочей сторона датчика была покрыта слоем фторопласта, а боковые поверхности изолировались основной стеклотекстолитовой плитой 9, поэтому утечки тепла были незначительными (менее 4%). Температура датчика измерялась при помощи медь-константановой термопары. Такая же термопара была установлена в дутьевой камере 5. Сигнал с обеих термопар через усилитель 14 поступал на вход аналого-цифрового преобразователя PCL-S18, установленного в персональном компьютере 15. Также, вместо описанной схемы была предусмотрена возможность снятия показаний термопары при помощи милливольтметра.
Постоянство температуры воздуха обеспечивалось при помощи теплообменного аппарата 3 (рис.2.1). Для обеспечения условия Ві 0Д в качестве материала пластины-датчика была выбрана медь с высоким коэффициентом теплопроводности, что обеспечивало Ві 0,003. Регистрация темпа охлаждения датчика производилась с помощью использования медь-константановой термопары, выбор которой основан на линейности ее характеристики, а также родством с материалом датчика. В качестве подтверждения того, что в опыте реализуется регулярный режим на рис 2.5 представлена зависимость изменения ln(t te) во времени т, где і — текущая температура датчика, te - температура воздуха в дутьевой камере, ь (tx
Для проведения опытов в пакете программ «Genie» была создана схема измерения и обработки экспериментальных данных. Величина ЭДС обеих термопар фиксировались измерительной схемой с частотой два замера в секунду, а показания микроманометра АР вводились в программу в ручную. При охлаждении после достижения температуры датчика 150С начинался отсчет времени, который останавливался при температуре датчика 50С. Расчетная (определяющая) температура воздуха находилась как средняя температура воздуха в дутьевой камере за время опыта. Далее рассчитывался коэффициент теплоотдачи и критерий Nu.
В случае использования милливольтметра для фиксирования продолжительности охлаждения использовался секундомер. В качестве определяющего размера для критериев в расчетном уравнении использовалась толщина медной пластины-датчика /: 0(,-/ СС Т где Bi = число Био; Fo = число Фурье (А- - коэффициент X г теплопроводности датчика - медной пластины, Вт/(м К); а - коэффициент теплоотдачи от газовой среды к датчику, Вт/(м2К)).
Все полученные значения Nu и АР сводились в общую базу данных, по которой происходило обобщение экспериментальных данных.
Опыты по определению средней интенсивности теплоотдачи импактных газовых струй проводились сериями, в которых менялся один из параметров: форма сечения сопел, скорость натекания струй на преграду, расстояние от среза сопла до преграды, шаг между соплами.
Для исследования влияния конфигурации потока на среднюю теплоотдачу в составных и закрученных импактных струях применялась установка, приведенная на рис.2 А
Гидромеханические особенности различных комплексов импактных струй
Как уже показано выше, распределение полей давления на преграду является одним из основных гидродинамических факторов теплоотдачи в импактных струйных потоках. Особенности полей давления для регулярных систем подробно исследованы [4]. Выявлено [70], что применение систем сопел с «несимметричной» формой поперечного сечения усиливают теплоотдачу за счет усложнения поля давления на преграду. Исходя из этого, следует предположить, что применение систем сопел, в которых сочетаются каналы с разной конфигурацией поперечного сечения, приведет к еще большей интенсификации теплоотдачи.
На рис. 3.16-3.18 показано распределение полей давления для различных струйных систем. Представленные данные по полю Р свидетельствуют, что при использовании в одном ансамбле сопел с разной формой поперечного сечения, поле давления получается еще более неравномерным, чем в регулярных системах: различная высота пиков давления у струй из разных сопел, сложная конфигурация Р в зоне соударения растекающихся струй, всё это должно приводить к возникновению дополнительных турбулентных перетоков на преграде и, соответственно, к усилению теплоотдачи.
Наиболее сложным является поле давления на преграду системы треугольных и квадратных сопел, поэтому следует предположить, что комплекс импактных струй, образованный данной системой будет обеспечивать наиболее высокий уровень теплообмена.
Как было сказано, для различных струйных систем гидромеханические условия теплообмена при столкновении растекающихся по поверхности струй также неодинаковы.
Наиболее наглядно количественную картину распределения давления можно проследить на срезах полей давлений по контрольной линии, проходящей через критические точки соседних струй. Рассмотрим условия взаимодействия между соплами с различной формой поперечного сечения.
Форма описываемой зоны имеет следующую вид: по оси взаимодействия наблюдается, созданный вторичной импактной струей, пик давления потока на преграду, величина которого значительно зависит формы сопла. Наибольшее значение давления в этой области достигается при взаимодействии «треугольных» и «квадратных» струй, которые превышают аналогичные значения при столкновении струй другой формы в 1,5 раза. Затем в направлении оси х в обе стороны от пика происходит резкий спад. Примечательно, что при взаимодействии «квадрат - круг» и «треугольник круг», зона столкновения смещается в сторону струи, образованной соплом с круглой формой поперечного сечения, и максимальные значения давления в зоне взаимодействия таких струй практически равны. В случае взаимодействия «треугольной» и «квадратной» струй область взаимодействия располагается ближе к центру, но смещение этой области от треугольной струи всё-таки существует.
Более глубокое представление о рассматриваемом взаимодействии можно получить по полю градиентов давления. На рис.3.22...3.24 представлены распределения градиентов давления по преграде при взаимном влиянии двух импактных струй различной формы. Длина стрелки в размере рисунков равна значению градиента в масштабе: 1 мм= 1 Па/м.
Из этих рисунков также можно увидеть, что распределение поля градиента давления вдоль оси у имеет форму, аналогичную распределению по оси х, лишь спад давления имеет более пологий характер. Ширина описываемой зоны при одинаковых скоростях истечения сохраняется примерно равной для всех типов сопел и составляетy =y/d3=4. ..5.
Характерно то, что для разных комбинаций сопел различны размеры площади преграды, охваченной развитым градиентным течением. Например, для комбинации сопел «треугольник-квадрат» эта площадь в 1,2 раза больше, чем для комбинации «квадрат-круг», и в 1,25 раз больше, чем для системы «треугольник-круг».
При уменьшении расстояния до преграды, площадь преграды, занимаемая развитым градиентным течением, увеличивается. При уменьшении шага между соплами наблюдается та же картина, а при увеличении шага площадь данной зоны уменьшается вплоть да полного исчезновения.
По данным гидромеханического исследования можно предположить, что системы, создающие на преграде более протяженные области со сложным полем давления, имеют более обширные зоны с высоким локальным коэффициентом теплоотдачи, а, следовательно, и больший средний коэффициент а за счет наличия дополнительных областей турбулентных перетоков, вызванных разницей давления на разных участках поверхности преграды.
Теплоотдача в системах импактных струй
Вместе с тем, такой показатель, как Е, имеет органический недостаток, а именно: наибольшей энергетической эффективностью обладают системы с малой скоростью взаимодействия потока с преградой. Это объясняется тем, что в этом случае значительный вклад вносит свободная конвекция, затраты на которую при определении Е не учитываются.
Таким образом «приоритетными» становятся системы с низким уровнем теплоотдачи, не имеющие существенного значения для прогрессивных энергетических технологий.
Поэтому предлагается ввести новый показатель - ранжированый параметр энергетической эффективности qHT [77]: где кит = а/ Оэ - ранжирующий коэффициент, равный отношению среднего коэффициента теплоотдачи данной системы к коэффициенту теплоотдачи эталонного процесса, в качестве которого была принята теплоотдача при наиболее изученном процессе - продольном омывании пластины неограниченным потоком. При расчете последнего в качестве определяющего размера (расстояние от кромки пластины) берется d3 сопла, а определяющей скоростью является W.
При этом показатели m и п играют роль «весовых» степеней, которые позволяют выделить приоритет либо величины е, либо величины kj-n; в зависимости от целей анализа, например, если требуется выделить уровень теплообмена, то т п и т.д. В данном случае qHT вычислен при т=п=\, а на рис.4.20 приведена зависимость этого показателя от среднерасходнои скорости w в виде относительного параметра качества qHT =qHT/qHT0, где qHTQ -показатель для системы «круглых» струй. Как оказалось, при анализе с помощью qHT меняется иерархия в номенклатуре приоритетных струйных систем и сами условия, при которых достигается максимальный qHT.
Как ранее отмечалось в главе 1, наблюдается большой разброс в количественном уровне характеристик теплоотдачи для одиночных струй и их систем, полученных экспериментально различными авторами, а также весьма значительная случайная ошибка при проведении лабораторных исследований заставляет сделать предположение о том, что выявлены далеко не все факторы, определяющие теплоотдачу в газовых импактных струях.
Одно из возможных направлений в поиске этих факторов лежит в области детального изучения свойств поверхности преграды, и в частности изменения микрорельефа поверхности преграды, произошедших в результате воздействия на неё газовой струи. Изменение микрорельефа может влиять на характер течения в вязком подслое, во многом определяющего интенсивность теплоотдачи.
Изменение шероховатости поверхности может происходить не только в результате абразивного воздействия частиц естественной пыли неизбежно присутствующей в газе, но и вследствие электростатических эффектов.
Для оценки механического влияния импактной струи на поверхность преграды были проведены опыты совместно с кафедрой молекулярной физики УрГУ (Борисов С.Ф., Герасимова О.Е.). Для определения рельефа поверхности использовался метод атомной силовой микроскопии.
В качестве образцов были выбраны резко различающиеся по свойствам пластинки из кремния и титана, рабочая поверхность которых была тщательно отполирована. Опыты строились на сопоставлении характеристик микрорельефа до и после воздействия на образец импактной струи. Площадь сканирования с центром в критической точке составила 0,5x0,5 мм. Для обдува образцов была создана специальная миниатюрная установка, схема которой дана на рис.3.22. Образцы подвергались воздействию струи гелия в течение 15 минут, которая вытекала из круглого сопла с внутренним диаметром 0,3 мм со скоростью w=30 м/с. Расстояние от среза сопла до поверхности составляло 0,6 мм (z =2).
