Статья опубликована в №19 (марта) 2015
Разделы: Техника
Размещена 17.03.2015. Последняя правка: 17.03.2015.
Просмотров - 1878

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРАТИФИКАЦИИ ТЕПЛОВОГО НАПОРА ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕЧЕНИИ В ПЛОСКИХ КАНАЛАХ С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ НА ОБЕИХ СТОРОНАХ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ МОДИФИКАЦИИ ЧЕТЫРЁХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ

Лобанов Игорь Евгеньевич

доктор технических наук

Московский авиационный институт

ведущий научный сотрудник

УДК  532.517.4 : 536.24

BBEДЕНИЕ

Интенсификация теплообмена в плоских каналах посредством установки поверхностных турбулизаторов как на одной, так и на обеих поверхностях (одинарные и двойные выступы соответственно) лишена соответствующих недостатков, присущих развитию поверхности теплообмена  [1, 2], поскольку она не требует существенного увеличения внешних размеров плоских каналов и поэтому применима в любых плоских каналах. Изготовление турбулизаторов на поверхностях плоских каналов не связано со значительными технологическими трудностями.

Стандартная схема интенсификации теплообмена для плоского канала посредством установки турбулизаторов на обеих сторонах подробно показана в работах [1—3].

В отличие от случая, когда турбулизаторы устанавливались только на одной (нижней — "внутренней") поверхности плоского канала, подробно рассмотренный в [3—7], в рамках данной работы рассматривается случай, когда турбулизаторы распложены на обеих поверхностях плоского канала, причём турбулизаторы должны не иметь смещения друг относительно друга и быть равной высоты.

Подытоживая, можно сделать следующий вывод: оптимальным методом интенсификации теплообмена на обеих сторонах плоского канала является применение периодических поверхностно расположенных турбулизаторов потока на них, который позволит существенно интенсифицировать теплоотдачу при достаточно умеренном росте гидравлического сопротивления.

Полученные выше решения позволяют детерминировать осреднённый теплообмен в плоских каналах с турбулизаторами более точно, чем существующие решения, и их предпочтительно использовать, несмотря не несколько бо́льшую сложность.

Последнее хорошо видно, если сравнить решения, полученные в данной работе, с решениями, полученными в [3, 4].

Вышеуказанные решения необходимо использовать в целях более точного расчёта распределения среднего температурного напора по подслоям; аналогичные выводы были сделаны относительно кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе [8].

В дальнейшем, в целях доказательства адекватности вышепредставленной теории, её необходимо сравнить с имеющимися экспериментальными данными. Расчётные значения для теплообмена для воздуха в плоском канале с периодически поверхностно расположенными турбулизато­рами потока сравниваются с соответствующими экспе­риментальными данными различных авторов, которые наибо­лее полно представлены в [1, 2, 9—13].

Было проведено сравнение непосредственных экспериментальных данных [13] по теплообмену и гидравлического сопротивления для плоских каналов с турбулизаторами на обеих сторонах канала при Pr=0,72, Re=3×10³¸2×10⁴, h/d_Э=0,046¸0,102; t/h=5¸20 (Pr и Re — критерии Прандтля и Рейнольдса соответственно; h — высота турбулизатора; t — шаг между турбулизаторами; d_Э — гидравлический (эквивалентный) диаметр плоского канала) и теоретических, полученных по сгенерированной по четырёхслойной схеме потока,  и выявлено их очень хорошее соответствие.

Кроме того, было проведено аналогичное сопоставление теории с экспериментом для более широкого диапа­зона чисел Рейнольдса, Прандтля и геометрических характери­стик двойных турбулизаторов в плоских каналах, показавшее довольно адек­ватное соответствие сгенерированной теории существующему экспериментальному материалу.

Представляет интерес сравнительный анализ результатов расчётов по приведённой четырёхслойной схеме турбулентного пограничного слоя для плоского канала с двойными турбулизаторами потока с расчётными данными как для круглой трубы (при прочих равных условиях), полученных по четырёхслойной (в том числе модифицированной) схеме турбулентного пограничного слоя [3, 14].

Сравнение результатов расчёта для круглой трубы с турбулизаторами и плоского канала с двойными турбулизаторами выявит достоинства одного метода интенсификации теплообмена перед другим.

Анализ [3—7] указывает на преимущество интенсификации круглых труб с турбулизаторами по отношению к плоскому каналу с двойными турбулизаторами при прочих равных условиях.

Кроме анализа данных по осреднённому теплообмену в плоских каналах с двусторонними турбулизаторами потока были получены расчётные распределения среднеинтегрального температурного напора по подслоям, что аналогично данные для круглых труб и кольцевых каналов, которые были приведены в работах [5] и [8] соответственно. Полный среднемассовый температурный напор ( ) подразделяется на отдельныесреднемассовые температурные напоры каждаго i-го подслоя ( ), а именно: вязкий подслой; промежуточный подслой; вихревое ядро во впадине; турбулентное ядро.

В рассматриваемом диапазоне чисел Рейнольдса (Re=3×10³¸2×10⁴) доля среднего напора вязкого подслоя в общем температурном напоре составляет немногим более одной трети для относительно низких чисел Рейнольдса и немногим более четверти — для относительно высоких; доля буферного подслоя составляет немногим более трёх пятых и немногим более половины соответственно.

Доля вихревого ядра во впадине составляет не более одной восьмой для относительно высоких турбулизаторов потока.

Доля турбулентного ядра потока составляет порядка (8¸20)% для относительно высоких чисел Рейнольдса и относительно высоких и низких турбулизаторов соответственно.

Таким образом, число Рейнольдса оказывает существенное влияние на стратификацию, особенно для вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра потока.

Анализируя распределение среднего температурного напора по подслоям для относительно высоких (с большими значениями относительной высоты турбулизаторов h/d_Э — отношения высоты турбулизатора к эквивалентному диаметру канала) турбулизаторов (h/d_Э=0,102) с турбулизаторами половинной высоты (h/d_Э=0,056) при прочих равных условиях показывает, что при снижении относительной высоты турбулизатора происходит снижение доли вязкого подслоя примерно на полпроцента, снижение доли промежуточного подслоя составляет порядка полутора процентов, снижение доли вихревого ядра во впадине происходит более чем в два раза, а увеличение доли вихревого ядра потока составляет более чем в два раза.

На основании данного анализа можно сделать вывод о том, что влияние высоты турбулизаторов на распределение среднего температурного напора при прочих равных условиях значительно для вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра и незначительно для вязкого и буферного подслоёв.

Влияние относительного шага на стратификацию относительно незначительно: максимальное увеличение относительного шага при прочих равных условиях приводит к увеличению доли вязкого подслоя примерно на полпроцента, увеличению доли буферного подслоя немногим более чем на полпроцента, снижению доли вихревого ядра во впадине не более чем на полтора процента, увеличению доли турбулентного ядра не более чем на четверть процента.

Влияние на распределение среднего температурного напора профиля турбулизатора также невелико: при переходе от турбулизатора прямоугольного поперечного сечения к турбулизатору трапециевидного поперечного сечения с минимальным углом в 40° увеличение доли вязкого подслоя составляет немногим более полпроцента, доля промежуточного подслоя увеличивается менее чем на процент, доля вихревого ядра во впадине снижается примерно на 2 процента, доля турбулентного ядра потока увеличивается немногим более чем на треть процента.

Очень важным аспектом является влияние числа Прандтля на распределение среднеинтегрального температурного напора в плоских каналах с турбулизаторами.

Были проведены расчёты распределения температурного напора по подслоям для широкого диапазона числа Прандтля Pr=1¸13 для Re=10⁴ и Re=2×10⁴ при прочих фиксированных параметрах h/d_Э=0,076, t/h=5, φ=90°; приведены также распределения температурного напора при Pr=10 для вышеуказанной геометрии турбулизаторов и чисел Рейнольдса Re=3×10³¸2×10⁴.

Анализ полученных расчётных данных показал различие на распределение температурного напора по подслоям при увеличении числа Прандтля. При Pr=10 доля вязкого подслоя составляет от двух третей для относительно низких чисел Рейнольдса до трёх пятых для относительно низких чисел Рейнольдса; доля буферного подслоя составляет порядка одной трети; доля вихревого ядра во впадине составляет не более двух с половиной процентов; доля турбулентного ядра потока увеличивается с увеличением числа Рейнольдса и составляет от четверти процента до более трёх процентов.

Можно сделать вывод о том, что влияние числа Рейнольдса на стратификацию для Pr=10 менее ощутимо, чем для Pr=0,72. В отличие от Pr=0,72, для Pr=10 основной температурный напор срабатывается в вязком подслое, меньший напор срабатывается в буферном подслое, а в остальных подслоях доля температурного напора относительно невелика.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о существенном различии распределения температурного напора по подслоям для теплоносителей в виде капельных жидкостей от газообразных теплоносителей.

Анализ влияния на температурный напор числа Прандтля при прочих равных условиях показывает, что доля вязкого подслоя увеличивается порядка трёх с половиной процентов при увеличении числа Прандтля на единицу, аналогично доля буферного подслоя снижается примерно на два процента, доля вихревого ядра во впадине снижается примерно на полпроцента, доля турбулентного ядра потока снижается приблизительно три четверти процента.

Таким образом, наибольшее влияние число Прандтля оказывает на подслои, которые располагаются ближе к стенке канала.

Интересным представляется сравнительный анализ распределения среднего температурного напора по подслоям для плоских каналов с двойными турбулизаторами по отношению к круглым трубам с турбулизаторами при прочих равных условиях.

С этой целью полученные в данной работе данные по распределению среднего температурного напора по подслоям для плоского канала с двусторонними турбулизаторами сравниваются с соответствующими данными для круглых труб [2] при прочих равных условиях (равенство чисел Рейнольдса, Прандтля, относительных высот и шагов турбулизаторов).

Как показывает анализ, в рассматриваемом диапазоне чисел Рейнольса — Re=10⁴¸2×10⁴ — в трубах с турбулизаторами в вязком подслое и промежуточном подслое срабатывается меньший температурный напор в пределах примерно десять процентов, а в турбулентном ядре потока срабатывается гораздо больший температурный напор.

Доля вихревого ядра во впадине для относительно невысоких турбулизаторов для плоского канала примерно такое же, что и в круглой трубе с турбулизаторами, а для относительно высоких турбулизаторов она примерно на 10% выше.

Турбулентное ядро потока в плоском канале с турбулизаторами составляет в два раза большую часть среднего температурного напора, чем для круглых труб с турбулизаторами, для относительно высоких турбулизаторов, а для относительно низких — примерно в полтора раза большую.

Иными словами, в круглой трубе с турбулизаторами в турбулентном ядре потока срабатывается гораздо больший температурный напор, чем в плоском канале с двусторонними турбулизаторами.

Резюмируя, можно сказать, что имеет место редукция плоского канала с двусторонними турбулизаторами по отношению к круглой трубе с турбулизаторами в отношении рационального распределения температурного напора. 

Выводы 

      I. Сгенерирована теоретическая модифицированная математическая модель расчёта и получены аналитические зависимости для интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении для плоского канала с симметрично расположенными на его обеих сторонах турбулизаторами с симметричным обогревом в зависимости от геометрических параметров канала и режимов течения теплоносителя. Результаты расчёта интенсифицированного теплообмена в плоских каналах с двойными турбулизаторами в зависимости от определяющих параметров хорошо согласующиеся с существующим экспериментальным материалом и имеющие перед последними неоспоримое преимущество, поскольку допущения, принятые при их выводе, охватывают гораздо более широкий диапазон определяющих параметров, чем ограничения, имеющиеся в экспериментах (Pr=0,72, Re=3×10³¸2×10⁴, h/d_Э=0,046¸0,102; t/h=5¸20).

   II. Сгенерированная математическая модель позволила рассчитать распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям в плоских каналов с симметрично расположенными турбулизаторами равной высоты. Рассчитанные распределения среднеинтегрального температурного напора по подслоям позволили выявить закономерности перераспределения вышеуказанного напора по подслоям в зависимости от геометрических характеристик турбулизаторов (высоты, взаимного расположения, профиля поперечного сечения) и режимов течения теплоносителя (чисел Рейнольдса и Прандтля).

1. На базе разработанной четырёхслойной модели турбулентного пограничного слоя можно осуществлять оптимизацию интенсификации теплообмена в плоских каналах с двойными турбулизаторами с симметричным обогревом, а также управлять процессом интенсификации теплообмена.
2. Влияние числа Рейнольдса оказывает существенное влиянию на распределение среднего температурного напора в плоских каналах с двусторонними турбулизаторами, особенно для вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра потока. Влияние относительной высоты турбулизаторов на распределение среднего температурного напора при прочих равных условиях существенно для вихревого ядра во впадине и турбулентного ядра и невелико для вязкого и буферного подслоёв. Влияние относительного шага и профиля турбулизатора на распределение среднего температурного напора при прочих равных условиях невелико.

   III. Влияние числа Рейнольдса на стратификацию для капельных жидкостей менее ощутимо, чем для газов; в отличие от газов, для капельных жидкостей основной температурный напор срабатывается в вязком подслое, меньший напор срабатывается в буферном подслое, а в остальных подслоях доля температурного напора относительно невелика. Максимальное влияние число Прандтля оказывает на подслои, которые располагаются ближе к стенке канала. Обобщённой выявленной закономерностью влияния поверхностных поперечно расположенных турбулизаторов потока на распределение среднеинтегрального температурного напора по подслоям в плоских каналах является его перераспределение из вязкого подслоя в буферный подслой и из турбулентного ядра — в вихревое ядро во впадине. Теоретические расчёты доказали более оптимальное распределение температурного напора для круглой трубы с турбулизаторами по отношению к плоскому каналу с двойными симметрично расположенными турбулизаторами потока при прочих равных условиях. Теория может быть использована для расчёта теплообмена некоторых каналов проточной части теплообменных аппаратов и устройств, образующихся в поперечно обтекаемых коридорных пучках труб со сплошными плавниками (мембранные поверхности нагрева, мембранные теплообменники).

1. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К.Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З.Копп, и др. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 408 с.
2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в ка-налах. — М.: Машиностроение, 1972. — 220 с.
3. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного тепло-обмена при турбулентном течении в каналах: Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. — М., 2005. — 632 с.
4. Лобанов И.Е., Штейн Л.М. Перспективные теплообменные аппараты с ин-тенсифицированным теплообменом для металлургического производства. (Об-щая теория интенсифицированного теплообмена для теплообменных ап-паратов, применяемых в современном металлургическом производстве.) В 4-х томах. Том III. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах с применением много-слойных, супермногослойных и компаундных моделей турбулентного погра-ничного слоя. – М.: МГАКХиС, 2010. – 288 с.
5. Лобанов И.Е., Парамонов Н.В. Математическое моделирование предельного теплообмена за счёт турбулизации потока при турбулентном течении в плос-ких каналах с турбулизаторами на одной поверхности // 9-я Международная конфе-ренция "Авиация и космонавтика — 2010". 16—18 ноября 2010 год. Москва. Те-зисы докладов. — СПб.: Мастерская печати, 2010. — С. 170—171.
6. Лобанов И.Е., Флейтлих Б.Б. Моделирование интенсифицированного тепло-обмена при турбулентном течении в плоских каналах с периодически по-верхностно расположенными турбулизаторами потока на базе семислойной мо-дели турбулентного пограничного слоя // Фундаментальные и прикладные про-блемы техники и технологии. — 2011. — № 2(286). — С. 42—50.
7. Лобанов И.Е., Флейтлих Б.Б. Моделирование интенсифицированного тепло-обмена при турбулентном течении в плоских каналах с периодически по-верхностно расположенными турбулизаторами потока на базе семислойной мо-дели турбулентного пограничного слоя // Проблемы газодинамики и теп-лообмена в энергетических технологиях: тезисы Междунородной научной шко-лы (Москва, 5—7 сентября 2011 г.). — М.: Издательский дом МЭИ, 2011. — С. 50—52.
8. Лобанов И.Е. Моделирование интенсифицированного теплообмена и его стратификации при турбулентном течении в кольцевых каналах с турбулизато-рами в широком диапазоне геометрических и режимных параметров на базе модифицированной семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Отраслевые аспекты технических наук. — 2012. — № 3. — С. 3—13.
9. Han J.C., Park J.S., Ibrahim M.Y. Meeasurement of heat transfer and pressure drop in rectangular channel with turbulence promoters // NASA Contactor Rep. 4015. Tex-as AEM University College Station. — Texas, 1986. — 200 p.
10. Han J.C., Park J.S. Developing heat transfer in rectangular channels with rib tur-bulators // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 1988. — V. 31. — № 1. — Р. 183—195.
11. Павловский В.Г., Дедусенко Ю.М. Теплообмен и гидравлическое сопротив-ление в коротком плоскопараллельном канале с искусственно шероховатыми стенками // Инженерно-физический журнал. — 1969. — Т. XVII. — № 6. — C. 1098—1101.
12. Павловский В.Г. Определение тепловой эффективности турбулизации воз-душного потока в гидродинамическом начальном участке плоскопараллельного канала // Депонент ВИНИТИ АН СССР. — 1969. — № 630.
13. Han J.C., Glicksman L.R., Rohsenow W.M. An innestigation of heat transfer and friction for rib–roughened surfaces // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 1978. — V. 21. — № 8. — P. 1143—1156.
14. Dreitser G.A., Myakotchin A.S., Lobanov I.E. A simple method for evaluation of heat transfer enhancement in tubular heat exchangers under single-phase flow, boil-ing, condensation and fouling conditions // Proceeding of the Third International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Pro-cess Industries held at the Davos Congress Centre.— Davos (Switzerland), 2001.—P. 445—455.

Рецензии:

29.03.2015, 16:51 Сычикова Яна Александровна
Рецензия: РЕЦЕНЗИЯ на статью доктора технических наук Лобанова Игоря Евгеньевича «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРАТИФИКАЦИИ ТЕПЛОВОГО НАПОРА ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕЧЕНИИ В ПЛОСКИХ КАНАЛАХ С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ НА ОБЕИХ СТОРОНАХ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ МОДИФИКАЦИИ ЧЕТЫРЁХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ» Статья Лобанова Игоря Евгеньевича «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРАТИФИКАЦИИ ТЕПЛОВОГО НАПОРА ПРИ ТУРБУЛЕНТНОМ ТЕЧЕНИИ В ПЛОСКИХ КАНАЛАХ С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ НА ОБЕИХ СТОРОНАХ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ МОДИФИКАЦИИ ЧЕТЫРЁХСЛОЙНОЙ МОДЕЛИ» посвящена теоретической модифицированной математической модели расчёта интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении для плоского канала с симметрично расположенными на его обеих сторонах турбулизаторами с симметричным обогревом в зависимости от геометрических параметров канала и режимов течения теплоносителя. Данная тема является весьма актуальной. В результате проведения исследований сгенерирована теоретическая модифицированная математическая модель расчёта и получены аналитические зависимости для интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении для плоского канала с симметрично расположенными на его обеих сторонах турбулизаторами с симметричным обогревом в зависимости от геометрических параметров канала и режимов течения теплоносителя. Список библиографии содержит 14 источников, состоит новейших исследований ведущих специалистов по данной тематике. Статья написана на высоком научном уровне с использованием соответствующего тематике терминологического аппарата. В ней четко обозначен личный вклад автора в решение заявленной научной проблемы. Статья рекомендуется к публикации в журнале «SCI-ARTICLE.RU».



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий