Введение к работе
Актуальность темы. Свободно-конвективный теплообмен встречается в технических устройствах и технологических процессах, в электроэнергетике, машиностроении, химической, легкой и др. отраслях промышленности. Надежность данного способа теплообмена делает его единственно возможным для ряда ответственных объектов: ЗЕЭрИЙНЫХ систем охлаждения ядерных электростанций, контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного горючего, агрегатов бесперебойного питания в электронике. Экономичность свободной конвекции позволяет сберегать ресурсы при работе воздушно-конденсационных установок, радиаторно-охладительных башен ("сухих градирен"), систем утилизации сбросного тепла.
Цилиндрические тела являются одним из основных типов теплообменных поверхностей. При свободной конвекции их горизонтальная ориентация, как правило, более выгодна. Присущие современной технике высокие температурные напоры обуславливают необходимость учета переменности физических свойств теплоносителей.
Опубликованные в литературе данные не позволяют в полной мере описать физические процессы при свободно-конвективном обтекании цилиндрических тел, особенно в случае взаимодействия теплообменных поверхностей, входящих в состав трубного пучка. Данные ограничены случаем одного теплоносителя - воздуха, отсутствуют расчетные зависимости для широкого диапазона параметров.
Несмотря на обилие результатов по учету влияния переменности свойств, они не систематизированы и, как правило, ограничены узким кругом теплоносителей.Отсутствуют зависимости для широкого диапазона параметров, приемлемые по точности и удобные для пользователя.
Невысокие коэффициенты теплоотдачи при свободной конвекции вызывают необходимость применения различных методов интенсификации. Их возможности в случае коридорных трубных пучков исследованы еще недостаточно.
Целью работы является: исследование влияния переменных физиче ских свойств теплоносителя на теплообмен в ламинарном свободно конвективном пограничном слое; экспериментальное и теоретическое исследование свободно-конвективного теплообмена пучков горизонтальных труб; разработка методики теплового расчета теплосбменны: аппаратов на принципе свободной конвекции; разработка методо] интенсификации теплообмена.
Научная новизна, исследовано влияние на свободно-конвективны! теплообмен переменных физических свойств для капельных жидкостей 1 воздуха при прямом и обратном направлениях теплового потока. Ш основе разработанного полуинтегрального метода расчета для широкого диапазона изменения параметров получены зависимости, учитывающие одновременно переменность вязкости и сжимаемости жидкости.
Рассчитаны определяющие температуры для всех параметров пограничного сдоя при Рг>1 и показано, что профиль скорости при переменных свойствах нельзя за счет выбора определяющих температур полностью свести к соответствующему профилю ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ СВОЙСТЕ.
Теоретически и экспериментально получены данные по свободно-конвективному теплообмену в горизонтально-трубных пучках в неограниченном объеме жидкости при Рг>1. Выделены режимы теплообмена, выявлены их физические особенности, построена карта режимов. Получены обобщенные зависимости для средней теплоотдачи в широком диапазоне изменения критериев подобия.
Получено аналитическое решение задачи о теплообмене горизонтальной трубки при турбулентной вынужденной конвекции жидкости внутри трубки и свободной конвекции снаружи.
Экспериментально исследованы в случае горизонтально-трубных пучков метода интенсификации теплообмена: ультразвук, едув воздуха через систему сопел, наличие рзстворекного в жидкости газа.
В результате численного эксперимента для продольного оребрения труб пучка выявлено влияние на теплообмен геометрических и
- 5 -тешіофизичаских факторов, в том числе неизотермичности ребра.
Проведено экспериментальное исследование теплообмена в случае горизонтальных іщлиндрических тел, обтекаемых двухфазным потоком, возникающим при вдуве воздуха через систему сопел. Разработана физическая модель процесса, получены критерии подобия и обобщенные зависимости для расчета теплообмена.
Практическая ценность. Обобщенные зависимости для расчета теплоотдачи горизонтально-трубных пучков и полуинтегральный метод учета переменных физических свойств теплоносителя могут быть использованы при тепловом расчете теплообменников на принципе свободной конвекции. Карта режимов теплообмена облегчает для проектировщика ЕЫбор оптимальных геометрических и режимных параметров.
Разработана методика теплового расчета горизонтально-трубных теплообменников.учитывающая компоновку, число ходов, теплофизические параметры теплоносителей,тепловую изоляцию. Проанализировано влияние конструктивных параметров ( длина труб, диаметр, коэффициент теплопроводности стенки, расход гидкости ).Разработана методика теплового расчета теплообменника для судовой ядерной энергетической установи!.
Исследованы метода интенсификации свободно-конвективного теплообмена применительно к горизонтально-трубным пучкам: продольное оребрение; эффект увеличения теплоотдачи за счет газовыделения на стенках труб в случае жидкости, содержащей растворенные газы; ультразвук; вдув Еоздуха через систему сопел.
Результаты исследований и разработанные методики изложены в монографии.Методика и рекомендации по проектированию теплообменников на принципе свободной конвекции внедрены на ОАО КТЗ (Калуга).
Автор защищает:
полуинтегральный метод расчета свободно-конвективного теплообмена в ламинарном пограничном слое для капельных жидкостей и полученные на его основе аналитические зависимости для поправок на переменность коэффициентов кинематической вязкости, объемного
- б -
расширения и теплопроводности, справедливые в широком диапазон изменения параметров;
результаты теоретического и экспериментального исследовзки: влияния переменности физических свойств на ламинарнш свободно-конвективный пограничный слой жидкости с Рг>1;
зависимости для расчета обобщенных температур для учет; переменности отдельных физических параметров свободно-конвективной пограничного слоя;
математическую модель, метод расчета и результаты численной исследования гидродинамики и теплообмена при свободной конвекции ъ пучках горизонтальных труб в неограниченном объеме жидкости;
физическую картину свободно-конвективного теплообмена в пучках горизонтальных труб, классификацию режимов теплообмена и карту режимов, обобщенные зависимости для средней теплоотдачи;
результаты экспериментального исследования и обобщенные зависимости для свободно-конвективной теплоотдачи к воде пучков горизонтальных труб;
аналитическое решение задачи о теплообмене горизонтальной трубки при турбулентной вынувденной конвекции жидкости внутри трубки и свободной конвекции снаружи;
методику теплового расчета теплообменников на принципе свободной конвекции;
результаты анализа натурных испытаний крупно-масштабного макета судовой ядерной энергетической установки;
результаты теоретического и экспериментального исследования различных методов интенсификации свободно-конвективного теплообмена применительно к пучкам горизонтальных труб: продольное оребрение, ультразвук, вдув воздуха через систему сопел, газовыделение на стенках труб в случае жидкости, содержащей растворенные газы;
результаты экспериментального исследования, физическую модель, обобщенные зависимости для теплоотдачи горизонтального цилиндра,
- 7 -обтекаемого двухфазным потоком, возникающим в результате вдува воздухз через систему сопел.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт эксплуатации и перспективы дальнейшего развития паротурбинного оборудования АЭС (Калининская АЭС 1984 г.); Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики" {г.Новосибирск,1985, 1989 г.); II Всесоюзной конференции по энергетике океана (Владивосток,1985); межрегиональной конференции "Некоторые актуальные проблемы создания и эксплуатации турбинного оборудования" (г.Свердловск, 1986, 1989 г.); VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппарзтах" (Ленинград,1990); II и III Международных форумах по теплообмену (ММФ) (г.Минск,1992,1996 г), 10-th Int. Congress of Chemical eng..design and automation,CHISA-90 (г.Прага, 1990 г), I и II Российской нац. конференциях по теплообмену (г.Москва, 1994,1998).
Публикации.Материалы диссертации опубликованы в 35 печатных трудах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выеодов, библиографии из 229 наименований и приложения. Работа содержит 426 страниц текста, включая 35 таблиц и 165 иллюстраций.