Экспериментальное исследование теплопередачи масло- вода через стенку в канале с хаотичными металлическими элементами

УДК 536.25:532.517.2

Т. М. Фарахов, Е. П. Афанасьев, А. Г. Лаптев ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ МАСЛО- ВОДА ЧЕРЕЗ СТЕНКУ В КАНАЛЕ С ХАОТИЧНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Ключевые слова: теплоотдача, масло, насадки, ламинарный и турбулентный режим.

Представлены результаты экспериментальных исследований теплоотдачи в теплообменнике типа труба в трубе, где во внутренней трубе размещалась хаотичная мелкая насадка «Инжехим». В межтрубном пространстве происходило движение горячей воды с постоянной скоростью, а в трубе с насадкой масло при различных числах Рейнольдса (150-300). Экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи сравнивались с расчетом по уравнению, полученному с применением модели пограничного слоя.

Keywords: heat, oil nozzles, laminar and turbulent regime.

The results of experimental studies of heat transfer in the heat exchanger tube in tube type, where the inner tube housed chaotic small cap "Inzhekhim ". The annulus is a movement of hot water at a constant speed and in a tube with a nozzle oil at different Reynolds numbers (150-300). The experimental values of the heat transfer coefficient compared with the calculation equation obtained with the boundary layer model.

Введение

Движение трансформаторных, компрессорных и моторных масел, а также тяжелых углеводородных смесей (например, мазута) в каналах теплообменного оборудования почти всегда происходит при ламинарном режиме. Это вызвано, в первую очередь, вязкостью среды на порядок больше, чем у воды при одинаковой температуре. Кроме этого теплопроводность таких систем в несколько раз меньше. Такие теплофизические свойства не способствуют интенсивному теплообмену при охлаждении или нагреве масел, мазутов и других подобных жидкостей. Для повышения эффективности теплоотдачи используют различные методы интенсификации [1-3]. Традиционно считается, что эти задачи наиболее актуальны для сред на турбулентном режиме течения. Большинство работ посвящено этой проблеме при высоких числах Рейнольдса (В.М. Альтшуль, А.И. Леонтьев, И.А. Белов, Г.И. Воронин, Ю.Ф. Гортышев, Б.В. Дзюбенко, Г.А. Дрейцер, В.К. Мигай, В.К.Щукин и многие другие исследователи) и лишь немногие - при ламинарном течении (Ю.Г. Назмеев, В.А. Пермяков, Е.С. Левин и др.) [5,6].

Интенсификация процессов тепло - и массообмена, а также процессов смешения особо актуальна при течении вязких жидкостей в различном оборудовании. Например, при подготовке котельных топлив на ТЭС, при охлаждении или нагреве различных смазочных и трансформаторных масел, при работе с тяжелыми углеводородными смесями, при смешении мазута с присадками и т.д. Кроме этого даже при проектировании тепломассообменных аппаратов и другого оборудования для работы при турбулентном режиме течения в процессе промышленной эксплуатации возможен переход на работу в ламинарном режиме. Это может быть связано как с вынужденным снижением расходов теплоносителей, так и с заменой рабочей среды. К наиболее перспективным методам интенсификации процессов тепло- и массообмена и смешения сред относятся процессы в каналах со

стационарной хаотичной насадкой упаковкой (слоем), где переход к турбулентному режиму начинается при числе Рейнольдса >40 [6].

Экспериментальная часть

В данной работе представлены результаты исследований теплоотдачи на экспериментальном стенде [7]. Стенд разработан и изготовлен специалистами компании «Н-Пром Бюро» (Санкт-Петербург) и состоит из теплообменника типа «труда» в «трубе», соединенного двумя контурами -холодным и горячим. Диаметр внутренней трубы 25 мм, где размещаются элементы интенсификации теплоотдачи. Установка оборудована датчиками (термопарами) для измерения температур потоков на входе и выходе теплообменника, датчиком для замера перепада давления на рабочем участке и расходомерами теплоносителей. Эксперимент заключается в снятии показаний термопар на входе и выходе потоков при стационарном режиме для трубной и межтрубной сторон при различных расходах теплоносителей. Первоначально авторами [7] была выполнена тестовая проверка стенда для гладких труб и результаты сравнивались с расчетом по формуле Михеева М.А. Получено удовлетворительное согласование по коэффициенту теплоотдачи. Мелкая хаотичная насадка (рис. 1) [8] размещалась во внутренней трубе длиной 1 метр. В трубе разместилось 1840 элементов с номинальным размером ~ 6 мм. Удельный свободный объем насадочной упаковки составил £св = 0,95 м3/м3, а удельная поверхность аv = 580 м2/м3. Эквивалентный диаметр насадки dэ = 4есв / аv = 0,0066 м. Эксперименты проводились при подачи масла марки и-8а во внутреннюю трубу с насадкой и воды в межтрубное пространство (без элементов интенсификации). Температура потоков изменялась в пределах 20-80°С. Эксперименты проводились в интервале чисел Рейнольдса для внутренней трубы (по маслу) в пределах 150^е^300, число Прандля Рг =127 и для межтрубного пространства (по воде) Reм=23400; где Red=Uсрd/vж; Reм=Uмdм/vж,Uср-средняя скорость теплоносителей, м/с; Reм, Red —

числа Рейнольдса для межтрубного пространства и внутренней трубы, dм - эквивалентный диаметр канала в межтрубном пространстве, м.

Рис. 1 - Фотография насадочных элементов

В результате экспериментов из уравнения баланса находили тепловой поток Q (Вт) и из уравнения

теплопередачи О = кFДt, где к -коэффициент теплопередачи; F - поверхность внутренней трубы, м2; Д1 - средняя разность температур холодного горячего теплоносителей, К. Вычислялся

коэффициент теплоотдачи от теплоносителя в межтрубном пространстве (без насадки) с применением известного критериального выражения

№ = 0,022Re0,8Pr0,43 (|м / |_1ст )0'25, где

Ыи1 = а^м / А1 - число Нусельта; а1 - коэффициент теплоотдачи от воды, Вт/м2К; А1 - коэффициент теплопроводности воды, Вт/мК; Рг - число Прандля; (| /|ст) - отношение коэффициентов динамической

вязкости воды при температуре в ядре потока и на стенке. При известных значениях К,а1 и термического сопротивления стены трубы из уравнения аддитивности термических сопротивлений находился опытный коэффициент теплоотдачи а2 от масла в трубе с насадкой.

Результаты эксперимента и расчетов

Результаты экспериментальных исследований сравнивались с результатами расчетов по уравнению, полученному с применением модели турбулентного пограничного слоя [9,10]

Миэ=0,175Ре0'75 (£/2)0,25 Рг0,33,

где

Reэ =Ucрdэ/v2 -

число

Рейнольдса для

2

насадочного слоя; £ = 2dэДР / Р2иСрН - коэффициент

гидравлического сопротивления насадки, находится экспериментально для каждой конструкции; ДР- перепад давления насадочного слоя, Па; Н -длина (высота) слоя насадки, м.

В качестве характерного размера в числе Нуссельта (1) в данном случае записан эквивалентный диаметр насадки Nuэ = a2dэ/Л2 . Если выражение (1) записать относительно диаметра трубы, то получим

-j

Nud =0,175—Re0'75

da

(

daAP

Л

0,25

Hp2u

cp

Pr'

0,33

Связь между числами Рейнольдса для трубы и насадки имеет вид Red = Re3d/ d3. Тогда выражение (2) запишем в форме

0,25

Nud = 0,175Red'75

dAP

HP2UC2

Pr

0,33

V "ер у

где перепад давления находится для канала с насадкой экспериментально.

На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость перепада давления для исследованного канала с насадкой «Инжехим», а на рис. 3 экспериментальная и расчетная зависимости числа Нуссельта .

Выводы

Для повышения эффективности теплоотдачи в каналах при течении вязких жидкостей рассмотрен способ интенсификации за счет размещения мелких хаотичных элементов. На стенде проведены эксперименты и сделано сравнение по числу Нуссельта с теоретическим уравнением. Получено удовлетворенное согласование.

АР 10Л Па

70

60

50

40

_L

150

200

250 300 Red

Рис. 2 - Зависимость перепада давления от Red полученная экспериментально в канале с насадкой при течении масла, • - эксперимент

Niid

190

170 -

150 —

150

200

250

300 Red

Рис. 3 - Зависимость числа Нуссельта Red для

трубы с насадкой при теплоотдачи от масла. Точки - эксперимент; линия - расчет по выражению (3). В межтрубном пространстве ReM=23400

Работа выполнена в рамках государственной

поддержки ведущих научных школ РФ (НШ-

97712016.8)

Литература

1. Ю.Ф. Гортышов, В.В. Олимпиев, Б.Е. Байгалиев Теплогидравлический расчет и проектирование оборудования с интенсифицированным теплообменом. Изд-во Казан.гос.техн.ун-та, Казань, 2004, 432 с.

2. В.К.Мигай Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Энергоатомиздат, Ленинград, 1987, 264 с.

3. А.Г. Лаптев, Н.А. Николаев, М.М. Башаров Методы интенсификации и моделирования тепломассообменных процессов. «Теплотехник», Москва, 2011, 288 с.

4. Ю.Г. Назмеев Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах. Энергоатомиздат, Москва, 1998, 376 с.

5. А.Г. Лаптев, О.Г. Дударовская, Т.М. Фарахов Энергетика татарстана. 1, 32-35, (2016).

6. М.Э.Аэров, О.М. Тодес, Д.А. Наринский Аппараты со стационарным зернистым слоем: Гидравлические и тепловые основы расчета Химия, Ленинград, 1979, 176 с.

7. М.В.Лакиза, С.Л. Деменок, В.В. Турбины и дизели. 9-10, 18-20, (2013).

8. А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Отечество, Казань, 2013, 454 с.

9. А.Г. Лаптев, Т.М. Фарахов, Е.А. Лаптева. ТОХТ. 49, 4, 407-414, (2015).

10. А.Г. Лаптев, Т.М. Фарахов Теплоэнергетика, 1, 77-79, (2015).

© Т. М. Фарахов - к.т.н., ведущий инженер ООО Инженерно-внедренческий центр «Инжехим»; Е. П. Афанасьев - инженер ООО «Газпром переработка»; А. Г. Лаптев - д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Технология воды и топлива» ФГБОУ ВО КГЭУ, tvt_kgeu@mail.ru.

© Т. М. Farakhov - Engineering and innovation center "Inzhekhim"; E. P. Afanasyev - engineer OOO "Gazprom processing", AfanasevEP@gpp.gazprom.ru; A. G. Laptev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head. the Department "Technology of water and fuel", tvt_kgeu@mail.ru.