Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №69 (май) 2019
Разделы: Физика
Размещена 15.05.2019. Последняя правка: 14.05.2019.
Просмотров - 438

Математическое моделирование предельного теплообмена в круглых прямых трубах с турбулизаторами для теплоносителей в виде капельных жидкостей с переменными монотонно изменяющимися теплофизическими свойствами

Лобанов Игорь Евгеньевич

доктор технических наук

Московский авиационный институт

ведущий научный сотрудник

Аннотация:
B данной статье была разработана численная теоретическая модель для расчёта предельных значений интенсифицированного теплообмена в условиях интенсификации теплообмена в трубах перспективных теплообменных аппаратов строительной индустрии за счёт турбулизации потока для жидких теплоносителей с переменными теплофизическими свойствами. Математическая модель описывает соответствующие процессы для широкого диапазона чисел Рейнольдса и Прандтля, что позволяет ещё точнее прогнозировать резервы интенсификации неизотермического теплообмена. Важнейшим выводом относительно полученных в рамках данного исследования результатов теоретического расчёта предельного интенсифицированного теплообмена следует признать относительную практическую ощутимость влияния неизотермичности на гидравлическое сопротивление, несмотря на то, что применяемые в современных теплообменных аппаратах современного строительного производства температурные перепады, как правило, относительно невелики.


Abstract:
In this article, a numerical theoretical model was developed for calculating the limiting values ​​of intensified heat exchange under conditions of heat exchange intensification in pipes of perspective heat exchangers of the building industry due to flow turbulization for liquid heat carriers with variable thermal properties. The mathematical model is valid for heat-transfer fluids with monotonously varying thermophysical characteristics. The mathematical model describes the corresponding processes for a wide range of Reynolds and Prandtl numbers, which makes it possible to more accurately predict the reserves of the intensification of non-isothermal heat exchange. The most important conclusion regarding the results of the theoretical calculation of the marginal intensified heat transfer obtained in this study is the relative practical perceptibility of the effect of nonisothermality on the hydraulic resistance, despite the fact that temperature differences used in modern h


Ключевые слова:
гидравлическое сопротивление; численный; моделирование; предельный; интенсификация; труба; поток; турбулизация; теплоноситель; жидкость; теплофизические свойства; переменный; теплообменный аппарат; теплообменное устройство

Keywords:
hydraulic resistance; numerical; modeling; limit; intensification; trumpet; flow; turbulization; heat carrier; liquid; thermophysical properties; variable; heat exchanger; heat exchange device


УДК 532.517.4 : 536.24

Введение

Для достижения наибольшего относительного интенсифицирования теплоотдачи лучше всего подходит газообразный теплоноситель [1, 2], однако, эксплуатация теплообменников на жидких теплоносителях остаётся актуальным,  благодаря высоким значениям теплопроводности, теплоёмкости жидкостей.

Установление воздействия переменности теплофизических параметров теплоносителей на максимальную теплоотдачу проявляется крайне важным, на основании того, что предельная неизотермическая теплоотдача может ощутимо расходиться с изотермической. В полном объёме это же можно постулировать и в отношении воздействия переменности теплофизических свойств на предельное гидросопротивление в трубах при течении гидрожидкостных теплоносителей.

При определении цели исследования принудительно турбулизированное течение моделируется на базе трёхслойной схемы [1, 2, 6, 21, 27, 28, 22].

Осуществление предельного турбулизирования теплоотдачи ориентировочно такое же, что и при изотермической предельной теплоотдачи  при жидком теплоносителе [1, 2, 6, 21, 27, 28, 22] — все отдельные составляющие термосопротивлений находятся в состоянии предельного турбулизирования, — а именно: размеры вязких подслоёв при всяком внешнем турбулизировании остаются неизменными; осреднённые величины промежуточных (буферных) областей приравниваются полувысотам турбулизаторов; турбулизации турбулентных ядер потоков — порядка турбулизации при свободных струях [29, 30].

Наиболее полно информация насчёт селективных характеристик каждого подслоя развёрнута описано в исследованиях [1, 2, 6].

В данном конкретном исследовании численно решена проблема детерминирования предельной неизотермической теплоотдачи.

Применение поперечных поверхностным образом расположенных выступов потока (рис. 1) в теплообменных аппаратах современной индустрии способствует значительной интенсификации процесса теплообмена при других одинаковых условиях, но при незначительном конструктивном изменении конструкций теплообменников. Интенсифицированная теплоотдача может быть исследована как экспериментально, так и с теоретически. На данном этапе развития математической модели турбулентных течений и теплоотдачи установлено, что и теория, и эксперимент имеют определённые плюсы и минусы друг относительно друга, следовательно, осуществляется их взаимодополняемое применение.


Рис. 1. Продольный разрез трубы с выступами

 

Таким образом, следует решить задачу экспериментальных и теоретических исследований интенсифицированного теплообмена в трубчатых  рекуператорных теплообменниках с интенсифицированным теплообменом, применяемых в современном производстве, например, стройматериалов [17—20], в целях гарантии увеличений точности и надёжности реализуемых терморежимов при большей экономичности, что актуально и аргументирует необходимость использования интенсификации.

Использование интенсифицированного теплообмена обусловливает оптимизированные массовые и габаритные показатели теплообменного оборудования, увеличение их теплоэффективность, понижение гидропотерь при прокачке теплоносителей, понижение температур стенки теплообменника.

Основные улучшенные характеристики производительности теплообменников, определённые на основе предложенного в научных разработках автора теории [1—16] в достаточной степени хорошим образом соответствуют существующему экспериментальному материалу.

В настоящей статье была сгенерирована теоретическая модель, где была бы возможность расчётов неизотермической теплоотдачи и расчётов неизотермичного гидросопротивления. За определяющую температуру рациональнее взять температуру стенок.

 

Расчётная модель для предельной неизотермической теплоотдачи для капельных жидкостей

 

Моделирование неизотермической предельной теплоотдачи производится, как [1—16], с допущениями для предельной теплоотдачи с помощью турбулизирования течения, которые были изложены в вышеуказанных исследованиях. Следовательно, детерминирование предельной неизотермической теплоотдачи приводится к решениям системы уравнений (1)—(4) с допущениями, свойственными и для общих условий интенсифицирования теплоотдачи, и для специфических предельным состояниям [1—16]:

(1)


(2)


(3)


(4)

 

где    .

 

Решив систему уравнений (1)—(4) численно, получим значения предельной неизотермической теплоотдачи.

Далее необходимо определить все отдельно подслои. Многочисленная экспериментальная информация относительно профиля скорости и температуры в условии интенсифицированной теплоотдачи при помощи периодических поверхностного расположения выступов, довольно исчерпывающе изложенные в работах [1—16], показывает, что переменность свойств не приводит к ощутимым расхождениям в подобии профиля скорости и температуры [21—24; 27—30].

Для вязких подслёв —  — возможно представление:

;(5)

;(6)

где β=0,023 — константа в законе "третьей степени": .

Для промежуточных подслоёв —  — возможно представление:


;(7)


.(8)


Для турбулентных ядер, —  — как для свободных струй, возможно представление:

,(9)

где σ=0,013 — постоянная, характеризующая в определённой мере начальную турбулентность.

.(10)

Понижение расчётных величин отношений Nu/Nu0 для охлаждения воды и его увеличение для нагрева воды было изложено в [31]. Анализ представленных в [31] данных показывает, что воздействие переменности теплофизических свойств теплоносителей на предельную теплоотдачу ощутимо менее значительное, чем на предельное гидросопротивление при нагревании.

Абсолютно таким же образом, что и при детерминировании предельных неизотермических гидравлических сопротивлений, актуальнее информация не об отношении Nu/Nu0, а об отношении (Nu/Nuгл)/(Nu0/Nuгл0), поскольку коэффициенты теплоотдачи для гладких поверхностей тоже изменяются при неизотермической теплоотдаче. Функциональная зависимость Nuгл от относительных (безразмерных) температур стенок детерминируется точно так же, что и в исследованиях [25, 26], следовательно, детерминирование отношений (Nu/Nuгл)/(Nu0/Nuгл0) производится на основании уже имеющихся в наличии соотношений Nu/Nu0.

Относительные значения (Nu/Nu0) и (Nuгл/Nuгл0), а также (Nu/Nuгл)/(Nu0/Nuгл0) в зависимости от относительной вязкости приведеные на рис. 2 и рис. 3 соответственно.


Рис. 2. Зависимость отношений  Nu/Nu0 и Nuгл/Nuгл0 от  для воды при
Re=104 и Pr=10 (--- Nu/Nu0 , —  Nuгл/Nuгл0).



Рис. 3. Зависимость отношения (
Nu/Nuгл)/(Nu0/Nuгл0)  от  для воды при Re=104 и Pr=10.



Рис. 4. Зависимость отношения  (
Nu/Nu0)/(ξ/ξ0) от  для воды при Re=104 и Pr=10.


Относительное увеличение теплоотдачи больше для случаев предельного интенсифицирования неизотермической теплоотдачи при нагревании воды и меньше при охлаждении воды (рис. 2), нежели чем для гладких труб. Таким образом, использование интенсифицирования теплоотдачи при режимах нагревания воды (рис. 2) имеют большую эффективность, нежели при охлаждении воды. Сравнительный анализ данных, представленных на рис. 2 и рис. 3, с данными по предельным гидросопротивлениям, представленным в [31], прямо указывает следующее: влияние переменности теплофизических свойств теплоносителя на предельную теплоотдачу меньше, чем на гидравлическое сопротивление.

 

Анализ значений численных расчётов предельной неизотермической теплоотдачи для капельной жидкости

 

Воздействие переменности теплофизических свойств теплоносителя на предельную теплоотдачу для охлаждения проявляется в следующем направлении: влияние неизотермичности на предельную теплоотдачу и предельное гидросопротивление по-разному для теплоносителя в виде капельной жидкости, следовательно, применив параметр (Nu/Nu0)/(ξ/ξ0), можно заключить, что предельное интенсифицирование более эффективно при нагреве жидкости, нежели при её охлаждении (рис. 4).

В максимальной степени воздействие переменности теплофизических свойств на предельную теплоотдачу и предельные гидравлическое сопротивление можно отразить нижеследующим показателем, где имеется учёт всех факторов неизотермичности, оказывающих воздействие на условия предельной неизотермической теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а имеенно: параметра Ψ.

Как показано на рис. 5, наибольшие величины комплекса Ψ имеют место на линии охлаждения. Тем не менее, оптимизирование по комплексу Ψ сопровождается существенным недостатком, так как оно сопровождается снижением степени интенсифицирования теплоотдачи.



Рис. 5. Зависимость отношения   от  для воды при Re=104 и Pr=10.

 

Повышение предельных значений критерия Нуссельта при охлаждении жидкостей влечёт собой снижение Ψ.

Для зависимости  , в отличие от газообразных теплоносителей, имеется экстремальное значение , следоваетльно, имеет место соответствующее ограничение по температурному фактору при теплоносителях в качестве капельной жидкости.

Вышеуказанное представляет собой дополнительный фактор в сторону предпочтения теплоносителя в газообразном виде перед теплоносителем в виде капельной жидкости в плане предельного неизотермического интенсифицирования теплоотдачи при помощи турбулизирования течения.

Основные выводы по моделированию предельной неизотермической теплоотдачи при посредстве искусственной турбулизации течения в трубах

1. В данной научной работе впервые численным образом была решена проблема расчётов предельной неизотермической теплоотдачи при турбулентных течениях в трубе благодаря турбулизированию течения.

2. В данной научной работе впервые была теоретическим образом решена проблема расчётов предельных неизотермических параметров гидросопротивления и теплоотдачи при турбулентных течениях в трубах за счёт турбулизирования течения. Были получены результаты расчётов относительно предельных характеристик неизотермической теплоотдачи и гидравлического сопротивления для широких диапазонов относительных (безразмерных) температур стенок θс (отношений температур стенок к среднемассовым температурам).

3. Теоретически доказана явная предпочтительная интенсификация неизотермической теплоотдачи путём турбулизирования течения для газообразных теплоносителей по сравнению с теплоносителями в виде капельных жидкостей. Методика, разработанная в данной статье, с большей точностью позволяет прогнозировать резервные возможности интенсифицирования неизотермической теплоотдачи, по сравнению с соответствующим расчётом для изотермической теплоотдачи. Выявлено, что  существуют добавленный ограничения по температурным перепадам в отношении предельного неизотермического интенсифицирования теплоотдачи, поскольку имеет место существование экстремального значения функции .
4. Главный вывод по поводу сделанных в рамках данной научной работы численных результатов теоретических расчётов состоит в относительной практической незначительности воздействия переменности свойств жидкостного теплоносителя на предельные параметра теплоотдачи и гидравлического сопротивления, поскольку используемые в современном теплообменном оборудовании (теплообменных аппаратах, теплообменных устройствах и т.п.) перепады температур, как правило, довольно невелики (например, при изменении отношения 

 относительный критерий Нуссельта Nuc/Nuc0 изменится незначительным образом: Nuc/Nuc0=1,013÷0,890.

5. Полученные в данной научной работе численные результаты с большей точностью даёт возможность при прогнозировании резервов интенсифицирования неизотермической теплоотдачи в перспективных теплообменниках современной индустрии.

Библиографический список:

1. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве.) В 4-х томах. Том I. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением основных аналитических и численных методов. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. — 405 с.
2. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве.) В 4-х томах. Том II. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением неосновных аналитических и численных методов. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. — 290 с.
3. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве.) В 4-х томах. Том III. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением многослойных, супермногослойных и компаундных моделей турбулентного пограничного слоя. — М.: МГАКХиС, 2010. — 288 с.
4. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Общая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве). В 4-х томах Том IV. Специальные аспекты математического моделирования гидрогазодинамики, теплообмена, а также теплопередачи в теплообменных аппаратах с интенсифицированным теплообменом. — М.: МГАКХиС, 2011. — 343 с.
5. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Теория интенсифицированного теплообмена и эффективности его применения для перспективных компактных теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве // Альманах современной науки и образования. — Тамбов: Грамота, 2010. — № 3(34). — Часть 1. — C. 24—42.
6. Штейн Л.М., Лобанов И.Е. Конструктивные характеристики перспективных рекуперативных металлических теплообменных аппаратов с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства // Актуальные проблемы совершенствования машин и оборудования строительного и коммунального комплексов: Материалы научно-технической конференции факультета Механизации и автоматизации, посвящённой 65-летию МГАКХиС (ВЗИСИ). — М.: МГАКХиС, 2010. — С. 114—119.
7. Штейн Л.М., Лобанов И.Е. Конструктивные характеристики перспективных рекуперативных керамических теплообменных аппаратов с интенсифицированным теплообменом для металлургического производства // Актуальные проблемы совершенствования машин и оборудования строительного и коммунального комплексов: Материалы научно-технической конференции факультета Механизации и автоматизации, посвящённой 65-летию МГАКХиС (ВЗИСИ). — М.: МГАКХиС, 2010. — С. 120—126.
8. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами для теплообменников современного металлургического производства с применением четырёхслойной модели турбулентного пограничного слоя // Техника и технология. — 2010. — № 3. — С. 67—77.
9. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в трубах с турбулизаторами для теплообменников современного металлургического производства с применением четырёхслойной модели турбулентного пограничного слоя // Альманах современной науки и образования. — Тамбов: Грамота, 2011. — № 9(52). — C. 29—35.
10. Лобанов И.Е. Применение интенсификации теплообмена для двигателей внутреннего сгорания в качестве различного рода энергоустановок в современном металлургическом производстве // Электронный научный журнал "Технология материалов". — 2012. — Апрель. — Выпуск 1. — Том 1. — С. 6—16.
11. Лобанов И.Е. Интенсификация теплообмена и эффективности его применения для перспективных компактных теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве // Электронный научный журнал "Технология материалов". — 2012. — Апрель. — Выпуск 1. — Том 1. — С. 17—41.
12. Лобанов И.Е., Низовитин А.А. Общая теория интенсифицированного теплообмена и эффективности его применения для перспективных компактных теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве // Электронный научный журнал "Технология материалов". — 2013. — Выпуск 1(2). — Январь–Апрель. — С. 3—42.
13. Лобанов И.Е. Необходимость применения перспективных теплообменных аппаратов с интенсифицированным теплообменом в современных металлургических процессах. // Отраслевые аспекты технических наук. — 2013. — № 1. — С. 8—9.
14. Лобанов И.Е. Применение интенсификации теплообмена для двигателей внутреннего сгорания в качестве различного рода энергоустановок в современном металлургическом производстве // Электронный научный журнал "Теплофизика и теплотехника". — 2013. — Выпуск 1(2). — Январь–Июнь. С. 31—39.
15. Lobanov I.E., Stein L.M. Application of Heat Exchange Intensification in Heat Exchangers in Modern Metallurgical Industry // Университетский научный журнал. — 2014. — № 8. — С. 62—76.
16. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Теория интенсифицированного теплообмена и эффективности его применения для перспективных компактных теплообменных аппаратов, применяемых в современном металлургическом производстве // Естественные и технические науки. — 2014. — № 9–10. — С. 34—36.
17. Бабаев Н.Х. Некоторые особенности теплотехнических зависимостей, проявляющихся при обжиге клинкера во вращаяющихся печах // Современные проблемы науки и производства. — 2015. — № 2(6). — С. 1—11.
18. Устинова Ю.В., Никифорова Т.П. Пути экономии топлива при производстве клинкера портландцемента // Интернет-вестник ВолгГАСУ. — 2014. — № 4(35). — С. 1.
19. Трусова И.А., Менделев Д.В., Ратников П.Э. выбор горелочного устройства при производстве клинкера во вращающихся печах // Литье и металлургия. — 2011. — № 1(59). — С. 124—126.
20. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Критерий рационального использования тепловой энергии в производстве бетона и железобетонных изделий // Технологии бетонов. — 2014. — № 2. С. 32—35.
21. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Исследование предельной интенсификации теплообмена в трубах за счёт искусственной турбулизации потока // Теплофизика высоких температур. 2002. Т.40. № 6. С. 958—963.
22. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Предельная интенсификация теплообмена в трубах за счет искусственной турбулизации потока // Инженерно-физический журнал. 2003. Т.76. № 1. С. 46—51.
23. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование неизотермических теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена // Теплоэнергетика. 2003. № 3. С. 27—31.
24. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей с переменными физическими свойствами в условиях интенсификации теплообмена // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М., 2002. С. 144—147.
25. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалёв С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 1986. 470 с.
26. Мигай В.К. О предельной интенсификации теплообмена в трубах за счёт турбулизации потока // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1990. № 2. С. 169—172.
27. Дрейцер Г.А, Лобанов И.Е. Моделирование предельной интенсификации теплообмена в круглых трубах и кольцевых каналах за счет искусственной турбулизации потока для различных теплоносителей с постоянными и переменными теплофизическими свойствами // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели. Сборник тезисов докладов XII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. М., 2004. С. 99—100.
28. Дрейцер Г.А., Лобанов И.А. Моделирование предельной интенсификации теплообмена в трубах за счет искусственной турбулизации потока для различных теплоносителей с постоянными и переменными теплофизическими свойствами // Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. Минск, 2004. Т.1. № 27. С. 1—9.
29. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Предельная интенсификация теплообмена для теплоносителей в виде капельных жидкостей с переменными теплофизическими свойствами // Теплоэнергетика. 2005. № 3. С. 20—24.
30. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование неизотермических теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей в виде капельной жидкости в условиях интенсификации теплообмена // Известия РАН. Энергетика. 2005. № 2. С. 88—100.
31. Лобанов И.Е. Математическое моделирование предельного гидравлического сопротивления в трубах с турбулизаторами для теплоносителей в виде капельных жидкостей с переменными изменяющимися монотонным образом теплофизическими свойствами // Электронный периодический рецензируемый научный журнал "SCI-ARTICLE.RU". 2019. № 67 (март). С. 71—81.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх