Введение к работе
'Актуальность работы. Одним кз наиболее перспективных путей повышения эффективности, снижения металлоемісости и габаритов тепло-обменного оборудования является примек^ние конвективных поверхностей, выполненных в виде пакетов труб с поперечным оребрением. Этот вид оребрения позволяет максимально развить поверхность теплообме-.на в ограниченных габаритах. Расширение области применения пакетов труб с винтовым и шайбовым оребрением, обусловленное успехами технологии изготовления, привело к раеаирению диапазона их конструктивных параметров. Как следствие возникла необходимость в углублении представлений о физических особенностях процессов теплообмена и течения в пакетах поперечно-оребренных труб и разработке новых, физически обоснованных методов их теплового и аэродинамического расчетов.
Существующие расчетные методики в ряде случаев не удовлетворяют предъявляемым требованиям как в связи с ограниченностью области их применения, так. и в связи с недостаточной их точностью. Весьма ограничены сведения о закономерностях течения в пакетах оребренных труб, а немногочисленные опубликованные данные по локальной теплоотдаче носят противоречивый характер и не имеют, как и данные по среднеповерхностному теплообмену, достаточного физического обоснования. Отсутствие глубоких комплексных'физических исследований процессов течения и теплообмена в поперечно-оребренных поверхностях привело к возникновению представлений, основанных на кажущихся очевидными аналогиях с процессами в полуоткрытых плоских каналах и при обтекании гладких цилиндров. В свою очередь, отсутствие достоверной физической картины течения и теплообмена, в частности, в межреберном зазоре, в определенной мере сдерживало возможность совершенствования поперечно-оребренных поверхностей. Совершенствование же таких устройств, приводящее даже к относительно небольшому улучшению их теплоаэродинамических характеристик, как и повышение точности их теплового и аэродинамического расчетов, в условиях значительного удорожания металла при больших объемах производства теплооб-мекного оборудования может дать существенную экономию средств.
Все отмеченное выше свидетельствует об актуальности предлагаемой работы как для теории конвективного теплообмена в развитых поверхностях, так и для инженерной практики.
Цели и задачи исследования. .Целью работы является углубление' представлений о физических особенностях процессов течения и теплообмена в пакетах поперечко-оребренных труб, создание на этой основе более точных и универсачьных по сразнению с существующими обобщенных методик их теплового и аэродинамического расчетов, 'определение путей и методов совершенствования теплообменных устройств такого типа.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
экспериментально изучить особенности течения и локального тепхообмена в пакетах попєречно-оребрєнньїх труб, влияние на процессы геометрии оребрс-ния. типа компоновки, параметров размещения и числа Рейнольдса; установить взаимосвязь мевду структурой течения и характером распределений интенсивности теплоотдачи по поверхности ребра; на основе полученных ос- {. ^определений для практически Еакких случаев выполнить расчеты температурных полей ребристых труб;
построить физическую модель течения и теплообмена у поверхности ребристого цилиндра на основе обобщения результатов экспериментальных исследований;
выполнить исследования среднеповерхнсстного конвективного теплообмена и аэродинамического сопротивления пакетов поперечко-оребренных' труб с шахматной и коридорной компоновкой в диапазонах значений коэффициента ореорения Ч1 ~ 1,2...38,3, отношения поперечного и продольного шагов труб <Ъ,/<Ь^~ 0,3...5,3 , числа Рейнольдса Re - 1500... 100000 ;
обобщить' экспериментальные данные по среднеповерхностному теплообмену » аэродинамическому сопротивлению в виде зависимостей, отражающих выявленные физические особенности процессов в пакетах поперечко-оребренных труб;
проанализировать влияние шаговых характеристик пакетов и геометрии ребристых труб на интенсивность среднеповерхностного теплообмена и аэродинамическое сопротивление с позиций полученных физических представлений;
выполнить исследования влияния неравномерности ос- поля ребра на его эффективность и получить зависимость для определения поправки Ц>е , учитывающей это влияние;
сформулировать на основе выявленных физических закономерностей способы совершенствования поперечно-сребренных поверхностей в
направлении повышения их теплсаэродчнамической эффективности; выполнить исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления усовершенствованных видов поперечно-оребренкых поверхностей и оценить кх эффективность.
Методы исследования. Экспериментальные исследования теплообмена и аэродинамики в пакетах поперечно-оребре-нных труб выполнялись на аэродинамических стендах разомкнутого типа, конструкция к оснащение которых позволяли проводить опыты в условиях, отвечающих требованиям теории подобия, а в значительном числе случаев с натурными образцами ребристых труб. При исследованиях теплообмена использовался метод полного теплового моделирования, реализация которого осуществлялась путем электрического обогрева всех элементов трубного пакета. Интенсивность среднеповерхностяой теплоотдачи определялась по результатам измерений температурных полей ребра и стечки несущего цилиндра. Ш»; изучении локальной теплоотдачи использовались' фольговые датчики теплового потока (датчики Гардона). Исследования аэродинамики выполнялись на основе измерений полей статических давлений, а также методом поверхностной визуализации потока. Обработка и обобщение результатов осуществлялись методами регрессионного анализа.с помощью ЭВМ.
Научная новизна. В результате комплексных исследований аэродинамики и локального теплообмена в пакетах сребренных труб обнаружены явления, принципиально изменяющие сложившиеся представления . о характере процессов в межребер;.ых полостях и в пакетах з целом. В частности, показано существование у корня ребер интенсивных вторичных отрывных течений, определяющих в значительной море характер распределения интенсивности теплоотдачи по поверхности ребристого цилиндра и приводящих к существенной трехмерности в его следе.
Впервые детально изучена структура, конфигурация и размеры зоны вторичных циркуляционных течений. Обнаружены два тина вторичных течений, возникающих перед лобовой частью цилиндра, несущего орес-рение; показано, что структура и размеры зоны их действия зависят главным образом от отношения высоты ребра к диаметру несущего цилиндра h/d . Определено значение параметра h/d~0.4 ПРИ котором происходит переход от одного типа вторичных течений к другому.
Выполнены исследования локального теплообмена' б значительно более широком, чем изученный ранее, диапазоне геометрических характеристик ребристых труб и трубных пакетов. Показано, что чтеричнне циркуляционные течения являются причиной высокого уровня интенсиь-
- 4 -пости теплоотдачи в прикорневых частях ребра.
Разработана новая физическая модель течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндра, позволившая с единых позиций объяснить особенности соответствующих процессов в поперечно-оребренных поверхностях, а также предложить пути их совершенствования. Выделены семь характерных областей, отличающхся условиями омывания и уровнем теплоотдачи, а также пять видов отрыва потока.
Изучено аэродинамическое и тепловое взаимодействие ребристых труб, собранных в пакет. Показано, что геометрия размещения и степень оребрения в значительной мере определяют уровень возмущепности и уровень локальных скоростей потока у поверхности ребристых труб, с которыми связана интенсивность их локального и среднеповерхност-ного теплообмена.
Методом полного теплового моделирования исследован среднепо-верхностный теплообмен шахматных и коридорных пакетов ребристых труб в интервалах ф " 1,2...38,3. 6,/62 0,3...5,3, т.е. в области геометрических характеристик вдвое более широкой, чем область, исследованная до настоящего времени. Выявлена существенная зависимость показателя степени при числе Рейнольдса в уравнении для расчета конвективной теплоотдачи Nu=Ccj,Re как от параметров оребрения, так и от параметров размещения труб в пакете. Получено выражение, учитывающее эту зависимость.
Впервые разработано единое обобщенное соотношение, позволяющее в максимально широкой области геометрических характеристик при значениях чисел Рейнольдса Re - 5000...200000 с достаточной точностью рассчитывать коэффициенты теплоотдачи как шахматных, так и коридорных пакетов труб с винтовым, шайбовым, квадратным и лепестковым оребрением, включая и предельные случаи, когда нивелируются различия между шахматной и коридорной компоновками ребристых труб.
Обнаружен и физически обоснован экстремальный характер зависимости интенсивности теплоотдачи от параметров размещения ребристых труб в пакете. Получены соотношения для определения значений параметров размещения, соответствующих максимуму интенсивности теплоотдачи.
Разработана новая, отвечающая реальной картине распределения интенсивности теплоотдачи по поверхности ребра формула для расчета поправки ФЕ к коэффициенту теоретической эффективности круглого ребра Е , учитывающей неравномерность ос- поля, а также упрощенное соотношение для расчета Е
Выполнены исследования аэродинамического сопротивления шахматных и коридорных пакетов труб с винтовым и шайбовым оребрением в области ф - 1,2.. .38.3; <Ь/6- 0.3. ..4,0. На основе использования понятия приведенной длины развитой поверхности Н/F и учета зависимости показателя степени при числе Рейнольдса от геометрических характеристик пакетов ребристых труб получены зависимости, обобщающие практически есє опубликованные экспериментальные данные.
Проведены исследования влияния на теплообмен и аэродинамическое сопротивление числа поперечных радом труб в пакете в условиях варьирования геометрии оребрения и размещения, получены зависимости для расчета соответствующих поправок.
На основе выявленных закономерностей предложен новый способ интенсификации теплообмена в пакетах оребренных труб путем конфу-зорной подгибки ребер, а также новые типы интенсифицированных поверхностей - плоско-овальные трубы с неполным оребрением и трубы с накатным лепестковым оребрением. Проведен анализ механизма интенси-' фикации процессов переноса в пакетах труб с конфузорно подогнутыми ребрами. Выполнены исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления предложенных типов поверхностей с целью определения оптимальных значений их геометрических характеристик.
Практическая значимость. Разработаны инженерные методики расчета теплообмена и аэродинамического сопротивления трубчатых поперечно- оребренных конвективных поверхностей, позволяющие повысить точность расчетов теплообменного оборудования и выполнять их в области геометрических характеристик, полностью охватывающей все практические потребности.
Созданная физическая модель процессов течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндра, как и выявленные особенности процессов в пакетах в целом, могут служить основой для дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых видов развитых теп-лообменных поверхностей.
Предложенные и исследованные в работе виды интенсифицированных поперечно-оребренных поверхностей позволяют повысить теплоаэроди-намическую эффективность, компактность и снизить металлоемкость теплообменного оборудования на 20...30 %, что сопровождается повышением надежности и улучшением эксплуатационных характеристик. Поверхности из труб с конфузорно подогнутыми ребрами, кроме того, отвечают такому важному с практической точки зрения требованию: их изготовление не требует переоборудования существующего производства
и больших дополнительных материальных затрат. . При производстве же профилированных труб с неполным оребрением можно использовать более прогрессивные и дешевые технологии, чем технологии, использующиеся в настоящее время при изготовлении полностью оребренных .профилированных труб.
Эффективное использование поверхностной визуализации потока при исследованиях течения в пакетах оребренных цилиндров, позволило расширить область применения ртого относительно простого и дешевого метода на другие теплофизические системы со сложными отрывными течениями (платы с микросхемами электронных устройств, начальные участки труб и каналов с профилированными входами и др.).
Реализация результатоа. Результаты работы включены в Нормативный метод теплового расчета котлов : в 3-х томам.- Санкт-Петербург: ПКТИ, 1992 г., а также в Руководящий технический материал Минэнер-гомаша СССР РТМ 108.030.140. - 87. - Расчет и рекомендации по проектированию поперечно-оребренных конвективных поверхностей нагрева стационарных котлов, 1988 г.
Разработанные расчетные методики введены для обязательного использования на предприятиях и в организациях, занимающихся проектированием, изготовлением и эксплуатацией котельных агрегатов, а также используются в организациях других отраслей, связанных с конструированием и производством теплообменных устройств из поперечно-оребренных труб.
Результаты исследований нашли применение в учебном процессе кафедры атомных электростанций и инженерной теплофизики Киевского политехнического института, а также получили отражение в научной литературе (Мигай В.К., Фкрсова Э.В. "Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб", 1986 г.; ВасильеЕ Л.Л., Киселев В.Г., Матвеев Ю.Н., Молсдкин Ф.Ф. "Теплообменники-утилизаторы на тепловых трубах", 1987 г.).
Разработаны новое теплообменное устройство и способы изготовления элементов развитых поверхностей нагрева, защищенные двумя авторскими свидетельствами и двумя патентами.
Автор защищает:
Новые данные о закокомернсстях процессов течения и теплообмена в пакетах поперечно-оребренных труб.
Новую физическую модель процессов течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндр?..
Единую обобщенную зависимость для расчета средаеповерхност-
ной конвективной теплоотдачи поперечно-оребренных поверхностей при их обтекании потоком газа.
Данные о влиянии неравномерности теплоотдачи по поверхности шайбового ребра на его эффективность; соотношение для расчета поправки, учитывающей это влияние; упрощенную зависимость для определения коэффициента теоретической эффективности шайбового ребра.
Новые экспериментальные данные по аэродинамическому сопротивлению пакетов поперечно-оребренных труб; обобщенные зависимости для расчета их аэродинамического сопротивления.
Инженерные методики расчета теплообмена и аэродинамического сопротивления поперечно-оребренных конвективных поверхностей.
Способы повышения теплоаэродинамической эффективности, снижения металлоемкости и габаритов теплообменников из поперечно-оребренных труб.
Усовершенствованные виды поперечно-оребренных поверхностей и-завйсимости для определения интенсивности их теплообмена и аэроди-'
намического сопротивления.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались ча II Минском международном форуме по тепло- и массообмену (1992 г.) , на Всесоюзном семинаре "Отрывные и струйные течения" (Новосибирск, 1988 г.); на П-ой Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1990 г.); на YIII научно-практической конференции "Опыт эксплуатации и пути совершенствования теплообмен-ного оборудования" (Севастополь, 1992 г.); на научно-техническом семинаре энергетического факультета Харбинского политехнического института (Харбин, КНР, 1990 г.); на заседании секции "Тепломассообмен" Научного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" (Одесса, 1991 г.); на научно-техническом совещании НПО ЦКТИ, ВТИ, ЗиО и КПИ по вопросу выбора методик и расчета теплообмена и гидравлического сопротивления ребристых пучков применительно к разрабатываемым РТМ (Ленинград, 1986 г.); на научно-практической конференции Минмашпрома Украины "Ресурсосбережение в машиностроении" (Киев, 1994 г.); на II и III Республиканских школах-семинарах молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики"(Алушта,1987,1989 г.г.); на XII и XIII конференциях молодых ученых Института технической теплофизики АН Украины (Києе, 1981. 1982 г.г.); на конференции молодь» ученых Института физико-технических. проблем энергетики АН ^итвы и Института тепло- и массообмена АН Беларуси (Каунас, 1987г.);
- 8 -на II Республиканской научно-технической конференции "Молодые энергетики и электротехники в борьбе за технический прогресс и повышение эффективности производства" (Киев. 1979 г.); на научно-технической конференции "Актуальные проблемы в области радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, энергетики, машиноприборострое-ния и промышленных технологий (Киев, 1988 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 23 статьях, 2. авторских свидетельствах и 2 патентах. Всего по материалам исследований опубликовано 42 работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит ив введения, шести глав, заключения и приложений. Основная часть работы содержит 255 страниц текста. 168 рисунков. 32 таблицы и список литературы из 156 наименований.