Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №55 (март) 2018
Разделы: Техника
Размещена 15.03.2018.

Моделирование интенсифицированного теплообмена в условиях интенсификации теплообмена для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами с помощью модифицированной модели Уилсона—Медуэлла

Лобанов Игорь Евгеньевич

доктор технических наук

Московский авиационный институт

ведущий научный сотрудник

Аннотация:
Сгенерирована методика расчёта теплообмена для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами, удовлетворительным образом коррелирующая с имеющимися опытными данными. Моделирование интенсифицированного теплообмена в условиях интенсификации теплообмена для кольцевых и плоских каналов с турбулизаторами производилась с помощью модифицированной модели Уилсона—Медуэлла.


Abstract:
A method for calculating heat transfer for annular and flat channels with turbulators is generated, which correlates satisfactorily with the available experimental data. Simulation of intensified heat transfer under heat exchange intensification conditions for annular and flat channels with turbulators was performed using a modified Wilson-Medwell model.


Ключевые слова:
моделирование; теплообмен; кольцевой канал; плоский канал; турбулизатор; модификация

Keywords:
modeling; heat exchange; ring channel; flat channel; turbulizator; updating


УДК 532.517.4 : 536.24

ВВЕДЕНИЕ

В существующих теплообменниках широко применяются теплообменные устройства с каналами, которые имеют отличающиеся от круглого поперечные сечения, а именно, канала в виде кольца, а также плоские каналы. Для этих каналов теплоотдача происходит через часть омываемую поверхность. Более того, нередко потоки теплоты на разных поверхностях бывают неравными; к примеру, у кольцевых каналов с внешним или внутренним подводом теплоты, а также с двусторонним обогревом с разными тепловыми потоками.

Чтобы повысить компактность теплообменников, следует использовать интенсификацию теплообмена.

Интенсификацию теплоотдачи в кольцевом канале можно сделать, в основном, 2-мя методами: турбулизированием течения и достижением развитой поверхности теплоотдачи [1—3]. Может иметь место применение комбинации вышеуказанных способов интенсификации теплообмена.

Метод интенсифицирования теплоотдачи, который связан с развитыми поверхностями теплоотдачи, во-многом отношении приводит к ощутимому повышению цены трубы по отношению к гладким трубам, но он бывает молоэффективен при некоторых режимов и теплофизических характеристик процесса теплоотдачи; данные приспособления для интенсифицированного теплообмена обладают значительными по отношению к несущей трубе габариты, поэтому их невозможно их применять в тесном кольцевом канале; данные приспособления следует использовать, если малы плотности тепловых потоков, потому что термосопротивление оребрённной поверхности не имеет значения — при росте теплового потока действенность оребрённой поверхности значительно снижается падает; оребрённые поверхности рационально использовать тогда и только тогда, если коэффициент теплообмена вне труб гороздо меньший, нежели коэффициент теплообмена внутри труб; если плотности тепловых потоков велики, то использование оребрённых поверхностей нерационально; кроме того,  эффект оребрённых поверхностей сильно уменьшается при применении низкотеплопроводных материалов (например, нержавеющие стали); индустриальное производство труб с  оребрёнными поверхностями значительно труднее, чем с гладкими поверхностями, следовательно, первые имеют более высокую стоимость по отношению к последним.

Интенсификация теплоотдачи в кольцевом канале методом установления поверхностных поперечно расположенных турбулизаторов потока не имеет соответственных недостатков, которые имеютместо при развитии поверхности теплоотдачи [1—3].

Интенсифицирование теплоотдачи способом турбулизирования течения не требует большого роста наружного размера трубы и поэтому его можно использовать в любом кольцевом канале. На наружных поверхностях труб изготовление поверхностных турбулизаторов не связано со существенными трудностями в технологии изготовления.

Самое большое распространение приобрели турбулизаторы в качестве проволочных колец, надетых поверхность гладкой трубы, а также проволочной спирали, намотанной на трубу или в качестве треугольных нарезок (отдельные спирали или кольца).

Интенсификация теплоотдачи способом турбулизирования течения повышается при росте числа Рейнольдса: в ростом гидравлического сопротивления в 2,75 раз наибольшее повышение теплообмена может составить 2-2,5 раза [1—3].

Потытоживая, следует сделать вывод: рациональным способом интенсификации теплоотдачи в кольцевом канале следует признать использование внутренних турбулизаторов потока, который разрешает задачу существенной интенсифиции теплоотдачи при относительно небольшом увеличении гидравлического сопротивления.

С учётом вышеизложенного, можно поставить следующую задачу исследования: необходимо сгенерировать методику расчётного исследования гидравлического сопротивления и теплоотчачи в условиях применяемого способа интенсификации теплоотдачи — монтажа поверхностных периодически расположенных внутрутрубных турбулизаторов потока, — так как вплоть до настоящего момента времени данный метод интенсифицирования теплоотдачи исследовался главным образом экспериментально и для некоторых частичных задач.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООТДАЧИ ДЛЯ КОЛЬЦЕВОГО И ПЛОСКОГО КАНАЛА С ВЫСТУПАМИ (ТУРБУЛИЗАТОРАМИ)

Математическая модель теплоотдачи для кольцевого канала в условиях его интенсификации при установке периодически расположенных турбулизаторов на поверхности внутренней трубы постулируется в предположении, что течение в кольцевом канале с турбулизаторами находится в области гидродинамической и тепловой стабилизацией. При полностью развитом осесимметрическом течении величина коэффициента теплоотдачи в кольцевом канале определяется распределением температуры при совместном решении дифференциальных уравнений относительно касательного теплового потока и напряжения:

(1)

Тепловой поток по сечению распределяется при нагревании внутренней стенки канала при приравнивании теплового потока в этом канале-кольце радиусом r  изменению энтальпии потока вдоль канала, который ограничен радиусами r1 и r2 [4]:

(2)

(3)

решая уравнение (2) для условий на внутренней стенке, получаем полное изменение энтальпии:

(4)

где  — среднемассовая температура теплоносителя.

Стабилизированный поток, как в гидродинамическом, так и в тепловом отношении обусловливает .

Записываем выражения для теплового потока в безразмерном виде:

(5)
(6)

Из системы уравнений (1), по найденному из (5)—(6)  распределению теплового потока находим распределение температур:

(7)

(8)

Распределение температур находится из уравнения (3) с учётом (5) и (6) [4]:

(9)

Теперь следует определить функцию  , входящую в уравнение (9):

(10)

где

(11)

(12)

Коэффициент гидравлического сопротивления трению в формулах (10)—(12) для наружной стенки канала задаётся так же, как для гладкой стенки, а для внутренней стенки канала — исходя из имеющихся зависимостей для стенки с турбулизаторами соответствующего типа для наружной поверхности круглой трубы [1—3]. В формулах (10)—(12), в отличие от выражений, полученных в [4], были выполнены существенные преобразования, позволившие в значительной степени уменьшить целый ряд расчётов, не являющихся необходимыми, снижающие точность проводимых интегральных вычислений в связи с погрешностями при реализации дополнительных операций.

Из выражения (9) с помощью (10)—(12) легко получить выражение для числа Нуссельта при турбулентном течении в кольцевых каналах, нагреваемых изнутри [4]:

(13)

Адекватность полученных расчётных сведений по теплообмену для кольцевого канала с турбулизаторами, так же как и для гидравлического сопротивления, оптимальнее всего верифицировать на основе сопоставления с наиболее достоверными и многочисленными экспериментальными данными для труб соответствующего типа. Наиболее достоверными данными, так же как и для гидравлического сопротивления, следует признать эмпирические формулы по теплообмену с интенсификацией теплообмена в кольцевом канале с односторонними турбулизаторами вида "выступ — канавка", представленных в [1—3], по причинам, вышеуказанным выше:

(14)

Теоретические расчёты по теплооодачи в кольцевом канале с турбулизаторами можно обобщить с помощью следующих эмпирических зависимостей.
Отношение теплообмена для кольца с турбулизаторами к теплообмену для гладкого кольцевого канала:
(15)

где NuK — число Нуссельта для кольцевого канала с турбулизаторами; NuKгл — число Нуссельта для гладкого кольцевого канала
Отнеся последнее к круглой трубе, можно записать:
(16)

На рис. 1 данные расчёта по теплоотдаче, полученные по методике, разработанной в рамках данной статьи, сравниваются с эмпирическими данными, редуцированными формулой (14), из которого видно, что совпадение расчётных данных с эмпирическими удовлетворительное.


Рис. 1. Зависимость относительного гидравлического теплообмена для кольцевых труб с турбулизаторами от параметра h/dЭ для t/dЭ=0,05…0,45 и Re=105, рассчитанные теоретически (____________) и с помощью эмпирических зависимостей (___..___..___).

Расчётные значение чисел Нуссельта для кольцевого канала с турбулизаторами полностью справедливы для имеющегося экспериментального материала для кольцевого канала с турбулизаторами [19].

Следует отметить, что опытные данные для кольцевого канала с турбулизаторами довольно ограниченны, поэтому использование данного метода для расширенного диапазона геометрических параметров турбулизаторов также можно считать справедливым, поскольку вышеуказанная экстраполяция основана на корреляции расчётных данных с имеющимися экспериментальными данными.

Вышеуказанное позволяет сделать обобщающий вывод: полученные в работе формулы для расчёта теплообмена справедливы  для следующего диапазона режимных и геометрических параметров кольцевых труб с турбулизaторами: 0,1<R1<0,9; h/dэ=0,0015...0,0450 и t/dэ=0,05...9,00 и числа Рейнольдса Re=104...4×105.

Следовательно, в рамках данной статьи получена методика расчёта теплоотдачидля кольцевых труб с турбулизаторами на основании соответствующих данных для круглых труб, адекватно согласующиеся с имеющимися на данный момент экспериментальными данными.

Рассчитывать теплоотдачу и гидравлическое сопротивление в плоских каналах с турбулизаторами на одной из сторон можно производить по методике, справедливой для аналогичных кольцевых каналов с односторонними турбулизаторами потока при условии R1 = 1.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Резюмируя данные, полученные в данном исследовании, можно сделать вывод, что была сгенерирована расчётная методика относительно интенсифицированной теплоотдачи для кольцевых и плоских каналов с односторонними турбулизаторами, в достаточной степени совпадающая с имеющимися экспериментальными данными.

2. Преимущество сгенерированной расчётной методики относительно теплоотдачи для кольцевых и плоских каналов с односторонними турбулизаторами от существующих методик заключается в том, что интенсифицированный теплообмен рассчитывается с единых позиций с расчётом гидравлического сопротивления.

3. Для инженерных расчётов значения интенсифицированного теплообмена в соответствующем диапазоне определяющих были предложены расчётные соотношения.

Библиографический список:

1. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. — М.: Машиностроение, 1972. — 220 с.
2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. — М.: Машиностроение, 1990. — 208 с.
3. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, И.З.Копп и др. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 408 с.
4. Уилсон М., Медуэлл У. Анализ теплоотдачи для полностью развитого турбулентного потока в концентрических каналах кольцевого сечения // Труды Американского общества инженеров–механиков. Серия С: Теплопередача. — М.: Мир, 1968. — Т.90. — № 1. — С.44—51.




Рецензии:

16.03.2018, 22:47 Велигурский Геннадий Алексанролвич
Рецензия: Статья содержит устаревший, наличествующий в публикациях материал. Автору следовало бы более внимательно отнестись к наличествующим в статье ссылкам, обратиться к современным источникам информации. Данная сфера исследования развивается довольно стремительно, имеется множество новых исследований и публикаций их результатов по различным аспектам, поэтому полезно было бы автору обратиться к более актуальным библиографическим источникам, в т.ч. к периодическим изданиям. А не предлагать к публикации неоднократно используемую в публикации «старьевщину». Без конструктивных и сравнительных характеристик существующих. Более того, автору следовало бы более тщательно относиться к своим произведениям в плане орфографии и правописания, чем им подчеркивается неуважение к читателям и рецензентам. Причем, это касается и ранее опубликованных автором статей на данную тему. Статья не содержит научной новизны и практической ценности. Считаю, что в данном представлении и содержании статья не подлежит к опубликованию.

20.03.2018 19:19 Ответ на рецензию автора Лобанов Игорь Евгеньевич:
1. Метод, реализованный в статье не является устаревшим. Данный аналитический метод лучше других описывается реализуемый специфический процесс теплообмена. Аналитические методы, которые разрабатывались впоследствии, затрагивали теплообмен в других условиях. 2. Научная новизна состоит в его модификации, т.е. использования соответствующих специфических соотношений для каналов с турбулизаторами. Метод верифицирован соответствующим экспериментальным материалом, который был получен совместно с моими непосредственными научными учителями Калининым и Дрейцером. 3. Научная и практическая ценность метода состоит в том, что на его основе можно прогнозировать теплообмен в каналах с турбулизаторами в тех областях, где ещё нет надёжных экспериментальных данных. Рецензент указывает на то, что имеется много новых исследований в данной области. Лично я постоянно отслеживаю научные публикации по данной теме, поэтому считаю, что рецензент не прав. В статье разработан аналитический подход к решению данной проблемы. Аналитические решения данной проблемы развиваются не так быстро, как численные, поэтому данное решение содержит научную новизну. Лично у меня почти 400 научных трудов, 15 научных монографий, подтверждающие, что никакого неуважения к читателям и рецензентам у меня быть не может. 4. Относительно возможных орфографических ошибок: рецензент сам написал свои ФИО: "16.03.2018, 22:47 Велигурский Геннадий Алексанролвич", поэтому не ему меня учить. 5. Рецензент не привёл конкретных недочётов в моей статье относительно теории теплообмена, например, в каких формулах у меня ошибки, какие допущения рецензент не считает достаточно обоснованными и т.п., а ограничился только общими словами, которые можно трактовать как критицизм. Рецензент противоречит сам себе: от поливает грязью мою статью, не приводя никаких конкретных недостатков, но затем поливает грязью и мои предыдущие статьи, которые уже были опубликованы, следовательно, он считает себя абсолютно правым, а несколько сотен рецензентов, положительно отозвавшихся о моих работах, не правыми. 6. Данная рецензия очень похожа на более ранние рецензии на мои статьи Галкина, который поливал грязью мои научные работы в теории теплообмена, но, как сам написал, не знаком с термином "толщина потери энергии", который используется во всех классических работах по теории пограничного слоя и изучается в курсе "Тепломассообмен" даже студентами вузов.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх