Содержание к диссертации
Введение
1. Устойчивость движения при естественной конвекции и естественной циркуляции.
1.1. Естественно-конвективный теплообмен в истории теплофизики.
1.1.1. Общие положения 12-14
1.1.2. Историческое развитие 14-17
1.2. Устойчивость движения при естественной конвекции.
1.2.1. Внутренние задачи естественной конвекции 18
1.2.2. Исследования течения в прямоугольных полостях 18 - 20
1.2.3. Течение между вертикальными стенками 20-22
1.2.4. Течение между горизонтальными стенками 22-24
1.2.5. Течение в горизонтальном круговом цилиндре 24 - 26
1.2.6. Смешанная конвекция в вертикальном канале 27-32
1.3. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции. Постановка задачи исследования.
1.3.1. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции 33
1.3.2. Неустойчивость в двухфазных потоках 34-39
1.3.3. Устойчивость естественной циркуляции в теплообменнике, меняющем пространственное положение 40-47
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 49-54
2.2.2. Двухтрубный теплообменник 54-55
2.2.3. Установка для визуального исследования явления опрокидывания естественной циркуляции 55-59
2.3. Методика проведения эксперимента.
2.3.1. Этапы проведения эксперимента 60 - 64
2.3.2. Особенности методики проведения эксперимента для двухтрубного теплообменника 64
2.3.3. Определение температуры в эксперименте 64 - 65
2.3.4. Результаты экспериментального определения тепловых потерь 65-70
2.3.5. Определение гидравлических потерь в элементах экспериментального контура 70-71
2.4. Методика обработки результатов экспериментов.
2.4.1. Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных 72-75
2.4.2. Выбор теплофизических свойств среды, необходимых для обработки экспериментальных данных 75
2.4.3. Определение погрешностей измерений 75 - 77
3. Результаты экспериментальных исследований устойчивости естественной циркуляции внутри горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.
3.1. Оценка основных параметров движения в эксперименте 78 - 80
3.2. Динамика процесса запуска, развития и опрокидывания естественно-циркуляционного движения циркуляции.
3.2.1. Динамика запуска 81 - 83
3.2.2, Динамика изменения характера движения воды при повороте теплообменника 84-90
3.2.3, Динамика опрокидывания 90 -100
3.2.4, Зависимость угла опрокидывания от геометрических параметров теплообменника 100-104
3.3. Результаты дополнительных исследований.
3.3.1 Влияние скорости поворота теплообменника 105 -106
3.3.2. Влияния диаметра вытяжной шахты на устойчивость естественной циркуляции 106 -107
3.3.3. Исследование взаимного влияния труб на двухтрубном теплообменнике 107 -111
3.3.4. Использование газоотвода 111
3.4. Результаты визуального исследования процесса естественной циркуляции 112-119
4. Определение угла опрокидывания.
4.1. Физическая модель 120 -122
4.2. Расчетная формула для угла опрокидывания 123 -125
4.3. Математический анализ течения жидкости 126- 132
4.3. Получение дополнительных параметров по опрокидыванию естественной циркуляции.
4.3.1, Определение нижней границы опрокидывания естественной циркуляции 133
4.3.2. Определение угла опрокидывания для многотрубного теплообменника 133- 135
4.4. Сопоставление расчетных формул с экспериментальными данными 136- 139
Заключение 140 -141
- Устойчивость движения при естественной конвекции.
- Описание экспериментальной установки.
- Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных
- Влияние скорости поворота теплообменника
Введение к работе
* 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. Циолковского; в 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.
Устойчивость движения при естественной конвекции.
Конвективное движение возникает при подводе тепла к различным элементам как замкнутых так и открытых областей. Особенностью такого течения является то, что на процессы теплообмена оказывают существенное влияние конечные размеры области и ее пространственное положение. Управляя этими параметрами можно регулировать конвективное движение. Вопрос об устойчивости такого рода движений представляет большую практическую значимость. К внутренним задачам естественной конвекции относятся течения в нагретых трубах и каналах; также течения, возникающие в замкнутых полостях, в слоях жидкости, заключенных между параллельными пластинами и т.д. Надо отметить, что большее число исследований в данной области связано с механизмом теплопередачи, и определением основных характеристик теплоотдачи. Естественно, что в основном ключевой определяемой величиной для данных исследований является коэффициент теплоотдачи или его безразмерный аналог число Нуссельта. Однако исследований посвященных изучению поля скоростей и возможной неустойчивости движения не много. Рассмотри характерные случаи таких течений. Эккерт и Карлсон [23] выполнили подробное экспериментальное исследование течения и теплообмена в замкнутых прямоугольных полостях с изотермическими вертикальными стенками при заданных значениях разности температур М в диапазоне 5.5-90 С. Относительная длина l/d могла изменяться от 2.1 до 46.7, а число Рэлея - от 200 до 2-Ю5. Они же попытались определить пределы различных режимов течения в зависимости от относительной длины полости и от числа Грасгофа. При исследованиях выявлены турбулентные пульсации главным образом в области ядра течения. Установлено, что интенсивность пульсаций увеличивается с ростом числа Грасгофа. Элдер [24] исследовал физический механизм течения между вертикальными стенками. Им были использованы жидкости с числом Прандтля, близким к 1000. Скорости измерялись при помощи алюминиевого порошка, находящегося в жидкости во взвешенном состоянии. Верхний конец полости был открыт в атмосферу. Относительная длина l/d могла изменяться от 1 до 60, а число Рэлея изменялось до величины порядка 108. Измеренные профили скорости приведены на рис. 1.1.а. Профили по существу симметричны относительно средней плоскости. С ростом Ra увеличивается область с малой скоростью в ядре, и течение постепенно локализуется вблизи стенок, а скорость в центральной области сильно уменьшается. На рис. 1.1.6. показана циркуляция внутри почти квадратной полости.
Вблизи стенок наблюдается интенсивное течение, к вертикальным слоям примыкает область слабой циркуляции, а во внутренней области скорости очень малы. С ростом числа Рэлея при относительной длине около 20 одновихревое течение разрушается и возникает вторичное течение. Критическое число Рэлея, соответствующее появлению вторичного течения, оказалось примерно равным 3-Ю5. Эйдер изучил также третичные течения возникающие при Ra 106, при котором продолжается дальнейшее образование стационарного ячеистого движения в областях слабого сдвигового течения между соседними ячейками. Также в его работе детально описаны механизмы, лежащие в основе возникновения таких течений. Переход от ламинарного течения к турбулентному рассмотрен в другой его работе [25]. Возмущения в форме волн распространяются вверх вдоль нагретой поверхности и вниз - вдоль холодной. Лайхтилл [26] исследовал подобную задачу для случая вертикальной » трубы с закрытым нижним концом, в которой верхний конец открыт. Исследование велось интегральным методом и было получено, что при заданных числах Прандтля и Рэлея течение сильно зависит от относительной длины l/d. При малых значениях l/d влияние ограничивающих стенок невелико и течение аналогично течению около вертикальной поверхности. Наряду с течением в пограничном слое имеется направленное вниз течение вне граничной области, расход в котором равен расходу течения, направленного вверх. При больших значениях l/d возникают условия полностью развитого течения. При промежуточных значениях l/d профили становятся наполненными, но изменяются по длине трубы. Эти случаи показаны на рис. 1.1.в. 1.2.3. Течение между вертикальными стенками Исследованием течения между двумя параллельными пластинами занимались многие авторы. Так Бэтчелор [27] изучал теплообмен в прямоугольных полостях с изотермическими вертикальными стенками и идеально теплопроводными или идеально теплоизолированными горизонтальными ограничивающими поверхностями. Задача была изучена при произвольных значениях относительной длины l/d и больших числах Рэлея. Им сделано предположение, что внутренняя область является изотермической и обладает постоянной завихренностью. Полученные им результаты сравнивались также с экспериментальными данными Мулля и Рейера [28]. Путе [29] решил подобную задачу численно с помощью ортогональных полиномов и получил очень хорошее согласие с экспериментальными данными Мулля и Рейера. Аналитическое исследование течения в ядре также провел Бэтчелор [30]. Он показал, что если ядро не покоится, то завихренность в ядре постоянна. Исследованием этой задачи так же занимались Гершуни [31] и Острах [32] Уилкс численно решил эту задачу для нестационарных и стационарных течений. 1.2.4. Течение между горизонтальными стенками Течение в замкнутой области, ограниченной двумя горизонтальными стенками, имеющими разную температуру, представляет собой важный случай течения, довольно часто встречающийся в практике. Предположение о бесконечных пластинах упрощает исследование, но оно приводит также к множественности аналитических решений.
Были исследованы устойчивость различных течений и методы отбора решений, например, работа Саттинжера [33]. Рассмотрим два случая. 1. Если слой жидкости заключен между двумя параллельными горизонтальными стенками и температура верхней стенки выше, чем нижней, а плотность жидкости убывает с ростом температуры, то естественная конвекция не возникает - перенос энергии осуществляется только теплопроводностью. Лыков и др. [34] рассмотрели стимулирование естественной конвекции при подогреве сверху и нашли, что в горизонтальной полости температура верхней стенки должна либо быть непостоянной по длине, либо изменяться с течением времени. 2. Если заключенный между пластинами слой жидкости подогревается снизу, то передача тепла происходит от нижней поверхности к верхней. В результате холодные слои жидкости располагаются над теплыми, и в жидкостях, плотность которых убывает с ростом температуры, возникает неустойчивая стратификация. Исследования показали, что конвективные токи не возникают, пока число Рэлея ниже некоторой критической величины, теоретическое значение которой равно приблизительно 1700. При больших числах Рэлея, получаемых путем увеличения толщины слоя жидкости или разности температур поперек слоя, устанавливается особая і картина естественной конвекции, которую впервые наблюдал Бенар [35] в 1901 г. Течение при этом имеет ячеистую структуру, состоящую из почти правильных шестиугольных ячеек, внутри которых жидкость движется вверх, а по краям вниз. Это течение является ламинарным, а с ростом Ra оно переходит в турбулентное. Рэлей [36] в 1916 г. поставил и решил задачу для идеализированного случая свободных границ с линейным градиентом температуры, предположив, что ячейки имеют прямоугольную форму. Джефри [37, 38] получил основные уравнения возмущений и рассмотрел течение между параллельными твердыми стенками. Диаграмма устойчивости, полученная Буссе [39], показана на рис. 1.2.а. в виде зависимости Ra от параметра, определяющего волновое число в горизонтальной плоскости.
Описание экспериментальной установки.
Экспериментальные исследования устойчивости естественной циркуляции жидкости внутри горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой проведены на установке, схема которой представлена на рис. 2.1. Основным элементом установки являлся цилиндрический бак (поз.5) емкостью 0,066 м . К верхней части металлического бака цилиндрической формы диаметром 0,2 метра, толщиной стенки 10мм и длиной 2,1 метра (параметры выбраны таким образом, чтобы обеспечить заполнение много большего, чем во всех остальных элементах установки, объема) посредством небольшого поворотного устройства, представляющего собой металлическое колено из сплава 0X18H9I (поз.9), присоединялся съемный теплообменник. Который состоял из обогреваемой теплообменной трубы (поз.1) и подсоединенной к ней под углом 90 вытяжной шахты (поз.2). Снизу теплообменник соединялся с нижней частью бака, посредством гибкого шланга из дюрритовой резины (поз.6). Такая конструкция обеспечивала возможность изменения угла наклона от -30 до +90 градусов. Вся установка была заполнена водой. Параметры поворотного устройства - внутренний диаметр 40 мм, внешний - 48 мм, радиус кривизны 24 мм, длина 75 мм, шланга -внутренний диаметр 80 мм, внешний - 92 мм, длина 4 м. Параметры выбраны таким образом, чтобы, с одной стороны, их гидравлическое сопротивление было много меньше гидравлического сопротивления теплообменника, а с другой стороны, все упомянутые элементы обеспечивали надежное функционирование конструкции. Для поддержания постоянной температуры в баке была предусмотрена система охлаждения. Холодная вода подавалась в нижней части бака (позЛ 5), а верхней части бака предусмотрена система отвода прогретой воды (позЛО). Скорость движения воды в баке поддерживалась 0.1 -5- 0.3 мм/с, что исключало влияние данного течения на теплотехнические характеристики в процессе естественной циркуляции. Подвод воды к баку осуществлялся подключением его к системе водоснабжения (позЛ 5). Также имелся слив воды в нижней части бака (поз. 14). Кроме того, использовалось домкратное устройство для обеспечения изменения и фиксации угла наклона теплообменной трубы в ходе опыта. Обогреваемые трубы были выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 22x2 мм и имели длину 0.6; 0.8; 1.1 м. Трубы вытяжной шахты были также выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 22x2, 32x2 мм имели длину 0.3; 0.55 м.
Общий вид установки показан на рис. 2.2. Для определения температуры стенки по длине теплообменных труб были сделаны кольцевые пазы глубиной 1 мм, куда были запаяны хромель-копелевые термопары ТХК 10616-61, упакованные для электроизоляции в хлорвиниловые чехлы. Трубка с термопарами обматывалась электроизолирующей лентой рис. 2.3. (поз.4). После этого на трубку наматывалась нихромовая электрическая спираль толщиной 0.6 мм с шагом 4 мм для теплообменной трубки длиной 0.6 м; с шагом 5 мм для теплообменной трубки длиной 0.8 м; с шагом 8 мм для теплообменной трубки длиной 1.1м; (поз.З на рис. 2.3.), на которую подавалось напряжение. При этом из-за необходимости крепления не вся горизонтальная теплообменная трубка обогревалась: имелся не обогреваемый участок AL, = 0.1 м на входе и на выходе AL = 0.04 м. Размер этих участков был одинаков для всех длин теплообменников, поэтому обогреваемые участки имели длину/, = 0.46, 0.66, 0.96 м. Для определения подводимого теплового потока электрическая спираль была соединена с лабораторными вольтамперметрами АВО-5М1 (поз.7 на рис. 2.1.) и ЛАТРом переменного напряжения (поз.8 на рис. 2.1.). Спираль была покрыта слоем асбестовой теплоизоляции - диаметр 55 -г 65 мм (поз.5 на рис. 2.3.). Для определения тепловых потерь использовался сам теплообменник. Для определения температуры жидкости на входе и выходе из теплообменной трубы установлены металлические гильзы, диаметром 03x0.5 мм длиной 40 мм, со встроенными термопарами (поз.8 на рис.2.3.). Помимо этого в некоторых опытах измерялась температура воды на выходе из обогреваемого участка и на входе в вытяжную шахту (измерения проводились также введением термопар через металлическую гильзу). Термопары подключались к измерителю многоканальному типа УКТ38. Температура воздуха в помещении измерялась лабораторными термометрами типа ТЛ-4 ГОСТ 25-021.033-88 с ценой деления 0.1 С (поз. 12 на рис. 2.1.). Атмосферное давление окружающего воздуха измерялось барометром-анероидом. Для проведения аналогичных экспериментов с воздухом установка использовалась в упрощенном виде. При этом воздух поступал и выходил непосредственно в окружающую среду, соединительный шланг не использовался. Температуры на входе и выходе измерялись так же с помощью термопар. Кроме вышеприведенной конфигурации теплообменника (одна обогреваемая трубка с вытяжной шахтой) исследовался теплообменник, состоявший из двух обогреваемых труб (моделировался многотрубный теплообменник), подсоединенных к одной вытяжной шахте на разной высоте. Общий вид установки представлен на рисунке 2.4. Обогреваемые трубы были выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 16x2 мм и имели длину 0.8 метра. Труба вытяжной шахты выполнена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т диаметром 32x2 мм и имела длину hem = 0.55 м. Расстояние между параллельными трубами b = 0.3 и 0.6 м. Для определения параметров потока так же были использованы дополнительные термопары.
Схема расположения термопар для однотрубного и двухтрубного теплообменника представлена на рис. 2.5. Кроме того, в данный теплообменник встроена труба газоотвода (предположительно в некоторых элементах теплообменника возможно образование пузырьков газа), которая может использоваться, либо отглушаться вентилем. Так же предусмотрен вентиль (см. рис 2.5.6.), с помощью которого можно отключить работу нижней трубы. Для данного вида теплообменника эксперименты проводились только на воде. Для обогрева каждой трубы использовалась отдельная электрическая цепь. В остальном экспериментальная установка аналогична описанию установки для однотрубного теплообменника. Конструкция установки также предусматривала проведение экспериментов по визуализации процессов, протекающих внутри теплообменника при естественной циркуляции (см. рис. 2.6.). Для этого использовались стеклянная теплообменная труба без теплоизоляции 16x2 мм длиной 0.5 м (горизонтальный участок) и стеклянная труба длинной 0.3 м (вытяжная шахта). Обогрев трубы производился, как и в предыдущих случаях, с помощью подачи Целью проведения экспериментов являлось определение угла опрокидывания. Перед проведением основного эксперимента каждая теплообменная труба проверялась на равномерность обогрева нихромовой проволокой. Для этого на нихромовую спираль подавалось напряжение (труба не теплоизолирована) и по локальным температурам стенки делалось заключение о равномерности нагрева. При этом обогреваемая труба располагалась строго горизонтально (проверка проводилась на воздухе, труба открыта с обоих сторон). Определению угла опрокидывания соответствует следующая методика. Упомянутая выше установка собиралась и заполнялась теплоносителем (в проведенных опытах водой и воздухом). Нагрев опытной трубы обеспечивался электрическим током, при этом на максимально возможный подводимый тепловой поток накладываются ограничения электрической сети (напряжение 220 В, сила тока до 6 А). На нихромовую спираль подалось напряжение, идущее на обогрев трубы. С помощью ЛАТРа устанавливалось необходимое напряжение, по показаниям лабораторного вольтметра и амперметра фиксировалась мощность (тепловой поток), которая в ходе отдельного эксперимента оставалась постоянной. Первоначально теплообменник отклонялся в сторону отрицательных углов (примем, что положительными углы отмеряются от горизонтального положения обогреваемого участка по часовой стрелке, отрицательные углы соответственно против часовой стрелки). Отрицательный угол выставлялся равным 2 т 3 градусам.
Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных
Так как главным параметром, определяемым в работе, является угол опрокидывания, то он должен быть выражен в виде зависимости от определяемых параметров. При этом надо учитывать, что полученная зависимость должна обеспечивать удобство расчетов и, вместе с тем, достаточно точно описывать полученные результаты [61, 68, 69]. Предполагается получить зависимость угла опрокидывания (или удобной тригонометрической функции угла) от геометрических размеров теплообменника. При этом можно выделить следующие характерные длины: входного необогреваемого участка трубы (Л,), обогреваемого участка (L), необогреваемого выходного участка (AL) и вытяжной шахты (КЛ Для устойчивости естественной циркуляции ключевым моментом является расчет давлений. Зная давления можно рассчитать и их разность или напор. При этом в общем случае гидростатическое давление где р - средняя плотность теплоносителя на данном участке, g - ускорение свободного падения (принимаем его постоянным и равным 9.8 м/с ) и h -высота столба теплоносителя. Важным является выбор плотности, так как именно разность плотностей побуждает теплоноситель к движению. Непосредственно плотность в эксперименте не измеряется, однако о плотности можно судить по температуре, пользуясь при этом табличными данными зависимости плотности от температуры [70]. Так как для формулы необходима средняя плотность на участке, важно какую из измеренных в эксперименте температур использовать как определяющую для данного участка. В [55] рекомендуется определяющую температуру для участка брать как среднеарифметическую где tebix - средняя по сечению температура теплоносителя на входе в участок; tex - средняя по сечению температура теплоносителя на выходе из участка. Для определения количества тепла подводимого к теплоносителю необходимо знать температуру стенки.
В эксперименте температура стенки измерялась в нескольких (3-4) точках распложенных на одинаковом расстоянии, за определяющую бралась среднеарифметическая измеренных. Важным параметром для описания процесса естественной циркуляции является расход среды (массовый расход). Его, пользуясь данными о теплофизических параметрах среды, можно определить по формуле из [71] где Q - полезный тепловой поток; с - удельная теплоемкость среды (берется по средней температуре участка). Зная расход можно определить и скорость среды - для трубы круглого сечения Для оценки режима течения используем критерий Рейнольдса где d - диаметр трубы; v - кинематическая вязкость среды; ju - динамическая вязкость; g- ускорение свободного падения. Так же важной характеристикой движения в данном случае будет являться критерий Архимеда, характеризующий подъемную силу где р0 и р - плотности. Теоретический расчет естественной циркуляции Для теоретического расчета характеристик естественно циркуляционного движения расхода (скорости) строят диаграммы циркуляции. На такой диаграмме изображаются зависимости расхода (скорости) от разности давлений. При этом выбирается диапазон скоростей, по которым, зная геометрию теплообменника и пользуясь известными формулами для расчета падения давления на гидравлических сопротивлениях строится зависимость падения давления от расхода. На том же графике строится зависимость движущего напора от расхода. Движущий напор определяется как где Ар, - разность давлений в элементе теплообменника; ht - вертикальная составляющая высоты элементов теплообменника. Разность плотностей определяется по известным из эксперимента температурам (средней температуре участка и температуре воды в баке). Тепловой поток так же берется по данным эксперимента. При этом теоретический расход определяется по пересечению двух графиков зависимостей разности давления от расхода. Технически обработка экспериментальных данных осуществлялась в программах Microsoft Excel 2000 и Mathcad 13 [72]. Microsoft Excel 2000 использовался для статистической обработки экспериментальных данных, a Mathcad 13 для получения графических зависимостей. При этом экспериментальные даны аппроксимировались регрессионными функциями в виде f{x) = тп х" + тпА хп х +... + тх х + т. Использовались функции со степенью аппроксимирующего полинома до 3. 2.4.2. Выбор теплофизических свойств среды, необходимых для обработки экспериментальных данных.
Для ведения теплотехнических расчетов целесообразно сразу определить те теплофизические параметры [73], которые оказывают большое влияние на теплообмен при естественной циркуляции. Естественная циркуляция неотъемлемо связана и с тепловым расширением среды, нагретой около теплоотдающеи поверхности, поэтому большую роль будет играть коэффициент объемного расширения, взятый по определяющей температуре из [70]. Другие значения таких физических параметров как теплоемкость, коэффициент вязкости (кинематическая и динамическая), плотность будут так же браться из [70] по определяющей температуре на основе данных Приложения 1. 2.4.3. Определение погрешностей измерений. Погрешности прямых измерений Расчет погрешностей измерений был произведен на основе [74, 75, 76]. Погрешности прямых измерений рассчитывались по формулам где А - абсолютная погрешность; Аизм = хср - хкр - абсолютная погрешность измерения; Аотс - абсолютная погрешность отсчета, равная половине цены деления прибора; SmaK - максимальная относительная погрешность, причем, М - класс точности прибора, N - верхний предел измерений, х - показания прибора; д/62 - среднеквадратичная погрешность. Рассчитанные таким образом погрешности измерения силы тока I составили: Атах = 0.1 A; тах = 2 %; V52 = 0.7% (М = 0,5); а погрешности измерения электрического напряжения U: Атах = 2 В; 5тах = 1.2 %; л/о 2 = 0.4%). Атах и 5тах отнесены к минимальным значениям соответствующих величин. Погрешности измерения температур, определяются инструментальной ошибкой системы термопара - измеритель многоканальный, при этом Атах = 0.2 С; 8тах = 0.5%; V52 = 0.17%, Погрешности измерения линейных размеров теплообменных труб: для внутреннего диаметра d - Amax = 0,00005 м; 8max = 1%; V62 = 0.33%; для длины труб / - Атах = 0.0015 м; 8тах = 1%; "\/52 = 0.33%. Все погрешности отнесены к минимальным значениям величин. Погрешности измерения угла определиться как половина цены деления угломера (0.5 градуса) при этом для минимальных углов Smax 5%. Погрешности косвенных измерений Погрешности измерения теплового потока представилось возможным рассчитать как Соответствующие погрешности, отнесенные, как и в предыдущих случаях, к минимальному тепловому потоку, составили: Атах = 2 Вт; %иХ = 14%; V82 = 4.6% - в опытах по определению тепловых потерь, и Amax = 5 ВТ; $пах = 3.8%; уд2 = 1.2%. в основном эксперименте.
Влияние скорости поворота теплообменника
В практическом плане достаточно существенным является вопрос -насколько быстрота поворота влияет на устойчивость циркуляции. Для проверки зависимость угла опрокидывания от скорости поворота эксперименты выполнялись с различными интервалами времени между поворотом теплообменника на один градус (интервалы составляли 20, 10, 5, 1 минута 30 и 6 секунд). Данное исследование показало что, при интервалах поворота 20, 10, 5, 1 минут, хотя и наблюдался определенный разброс в углах опрокидывания, но средние значения для геометрически одинаковых установок совпадали. Результаты для / = 0.6 м и hem = 0.3 м представлены в таблице 3,3,, для других геометрий теплообменника наблюдалась схожая картина. Интересной особенностью является то, что существенное влияние быстрота поворота играет лишь после угла, на котором начинается пульсация температур. И в этом случае увеличение скорости приводит к увеличению угла опрокидывания. Данное исследование так же дало возможность оценить стационарность температурного режима в наклонном теплообменнике. Выявлено, что при изменении пространственного положения на 1 градус система входит в квазистационарное состояние примерно через 1 минуту (существует колебание температур в пределах 1С). Однако данное заявление не относится к положениям теплообменника после угла, на котором начинается пульсация температур, при этом процесс приобретает явно нестационарный характер. Представленные в Приложении 1 данные взяты по экспериментам с интервалом поворота 1 градус в минуту. 3.3.2. Влияния диаметра вытяжной шахты на устойчивость естественной циркуляции. Для определения влияния диаметра вытяжной шахты на устойчивость естественной циркуляции в экспериментах использовались вытяжные шахты диаметром 18 мм и 28 мм. Эксперименты проводились для следующих геометрических размеров: / = 0.8 м hem = 0.3 м, / = 0.8 м hem = 0.55 м, / = 1.1 м hem = 0.55 м. Результаты представлены в таблице 3.4. Из таблицы видно, что в целом углы опрокидывания совпадают, хотя для всех геометрических размеров прослеживается несколько меньший угол опрокидывания для большего диаметра вытяжной шахты (в среднем на один градус). Возможным объяснением являются несколько большие теплопотери, в случае работы теплообменника с большим диаметром вытяжной шахты и как следствие уменьшения движущего напора в прямом направлении.
Однако при этом должен понизится и напор, но анализ экспериментальных данных не дал четкого подтверждения этого предположения. В целом можно сказать, что увеличение диаметра вытяжной шахты не оказывает существенного влияния на угол опрокидывания (для d,2 18 мм разброс составляет - до 5 градусов, для d2 = 28 мм разброс составляет - до 7 градусов). Некоторые аспекты взаимного влияния при работе верхней и нижней трубы уже были рассмотрены в параграфе 3.2.2. В данном параграфе будет рассмотрен случай отдельного обогрева верхней или нижней трубы т.к. практике часто встречаются случаи, когда теплообменник находится в сильно неравномерном тепловом поле. Что приводит к перестраиванию режима работы теплообменника и в конечном итоге к изменению устойчивости и опрокидыванию. При этом важным является установить влияет ли наличие второй необогреваемом трубы на движение в обогреваемой. Для этого, как отмечалось ранее, проводились эксперименты, когда на одну трубу подавался тепловой поток, а по второй трубе жидкость могла двигаться свободно или эта труба отглушалась. В таблице 3.5. приводятся обобщенные данные для исследований, проведенных на двухтрубном теплообменнике. Проведем сравнение для разных вариантов работы двухтрубного теплообменника (для верхней трубки). Самым устойчивым к опрокидыванию является случай, когда верхняя труба обогревается, а нижняя отглушена - средний угол опрокидывания 18 , вторым по устойчивости является случай, когда работают обе трубы совместно и каждая обогревается - средний угол опрокидывания 10-11 , самым неустойчивым является случай, когда нижняя необогревается и не перекрыта - средний угол опрокидывания 6 (данные отражены на рис. 3.15.) На рисунке 3.16. представлены экспериментальные зависимости расхода от тепловой нагрузки для этих случаев (в горизонтальном положении теплообменника). Наибольший расход выявлен для случая обогрева верхней трубы, а следовательно и движущий напор в этом случае больше, опрокидывание наступает при больших углах, чем в остальных случаях. В объеме проделанных экспериментов для нижней трубки данные закономерности так же были подтверждены. Т.к. эксперименты проводились с недеаированной водой, то в некоторых из них наблюдалось образование пузырьков газа в обогреваемой части трубы. Естественно, что движение этих пузырьков определенным образом влияло на движение воды. Даже при небольших углах пузыри двигались в направлении обратном прямому движению воды. При этом из-за конструктивных особенностей установки пузыри могли застаиваться у входного участка трубы. Более интенсивно это явление наблюдалось при больших тепловых потоках. Особенно опасно данное явление для двухтрубного теплообменника в котором опрокидывание в верхней трубке происходит раньше чем в нижней. При этом жидкость в некоторый момент останавливается, что характеризуется резким увеличением температуры жидкости и стенки трубы, и как следствие к интенсификации газообразования.
Скопившееся у входного участка трубы газы могут либо частично, либо полностью перекрыть сечение трубы. Что и наблюдалось в некоторых опытах при больших тепловых нагрузках. О перекрывании свидетельствовало резкое повышение температуры на выходе (более 100С). Для устранения этого конструктивного недостатка использовалась газоотводная труба, вмонтированная в теплообменник на входном участке в верхнюю теплообменную трубку. Использование газоотвода решило вопрос с нежелательным скоплением газа и несколько увеличило устойчивость естественной циркуляции (опрокидывание происходило на 1-2 градуса позднее). В работе анализировались экспериментальные данные, где влияние газа на процесс естественной циркуляции минимально, либо исключено использованием газоотводной трубы. Для определения характера течения и динамики движения жидкости на разных углах поворота теплообменника использовались визуальные наблюдения. Общая структура потока и скорость определялась с помощь впрыска порций краски. При этом засекалось время прохождения краской участка 0.2 м. (считалось, что на этом участке жидкость двигалась равномерно). Измерение температур на входе и выходе из теплообменника (как в основном эксперименте) дает возможность сопоставления наблюдаемого движения жидкости в теплообменнике со скоростью и расходом, полученным по значениям температур на входе и выходе. На рисунке 3.17.С представлены фотографии движения подкрашенной жидкости на обогреваемом участке при тепловой нагрузке 600 Вт. Фотографии иллюстрируют характер движения жидкости при разных углах, от горизонтального положения /? = 0, до угла опрокидывания циркуляции /? = 20. На всех углах вплоть до угла опрокидывания наблюдается слоистое движение жидкости, что говорит о ламинарном режиме течения. В близи стенок наблюдались конвективные токи, которые, начинаясь у основания, двигались симметрично с двух сторон по основному потоку смыкаясь у верхней образующей трубки (см. рис. 3.18.). В данном исследовании были получены следующие углы опрокидывания (/ =0.5 м, hem=03 M,d2= 16 мм): для 400 Вт - 19, для 600 Вт - 20, для 800 Вт - 18. Измерение температур выявило пульсацию температур на входе в теплообменник (на углах наклона порядка 10-12). Измерение средних скоростей на горизонтальном участке для 400 Вт. 0.07 м/с, для 600 Вт 0.08 м/с, для 800 Вт 0.1 м/с (при горизонтальном положении теплообменника). Получены в эксперименте по визуализации значения больше вычисленных для основного эксперимента (для разных тепловых нагрузок интервал составил от 0.03 до 0.05 м/с).
