Методика экспериментального исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В РОТАЦИОННОМ АППАРАТЕ

Л.Р. ПАНТЕЛЕЕВА, Я.Д. ЗОЛОТОНОСОВ, Л.А. СМИРНОВА

Казанский государственный энергетический университет

Приведено описание экспериментальной установки и методики исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате с вращающейся трубой типа «конфузор-диффузор».

Исследования конвективного теплообмена во вращающихся каналах достаточно полно освящены в литературе [1,2]. Однако данные, касающиеся определения коэффициентов теплоотдачи в условиях ламинарного течения вязкой жидкости для вращающихся каналов сложной конфигурации типа «конфузор-диффузор», в литературных источниках отсутствуют.

Целью данной работы является разработка методики экспериментального исследования конвективного теплообмена в ротационном аппарате с вращающейся трубой типа «конфузор-диффузор».

Для определения основных закономерностей процессов теплообмена между жидкостью и паром в поле центробежных сил была разработана и смонтирована специальная экспериментальная установка (рис.1).

Основным элементом установки является теплообменник с вращающейся рабочей поверхностью типа «труба в трубе». Внешняя труба 1, диаметром 51 мм, толщиной стенки 2,5 мм и длиной 1520 мм, выполнена из нержавеющей стали. Внутренним элементом теплообменника является аксиально вращающаяся труба

2 конфузорно-диффузорного типа длиной 1520 мм и с толщиной стенки 1мм. Для проведения эксперимента труба 2 выполняется в трех вариантах: из стали; латуни; меди. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду поверхность теплообменника покрыта тепловой изоляцией 3. Вращение внутренней трубы обеспечивается с помощью клиноременной передачи от электродвигателя. В целях исключения вибраций при вращении труба 2 теплообменника монтируется на двух внешних опорах в длинных подшипниковых узлах 4, а внутри трубы 1 - фиксируется на трех фасонных втулках 5, выполненных из фторопласта.

Вода из магистрали подается через уравнительный бачок, снабженный переливом и перемешивающим устройством для обеспечения равномерного распределения температуры жидкости по объему. Для нагрева и поддержания постоянства температуры жидкости в бачке установлены ТЭН и терморегулятор 26. Циркуляция жидкости осуществляется циркуляционным насосом. Вода поступает во вращающийся канал 2 через патрубок 6. Для создания равномерного поля скоростей в потоке перед входом в проточную часть канала 2 установлена распределительная решетка. Вывод воды из трубы 2 осуществляется через патрубок 7.

© Л. Р. Пантелеева, Я.Д. Золотоносов, Л. А Смирнова Проблемы энергетики, 2004, № 7-8

Вода

тап]

9 10

1516

\

1314

1718

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

*

%

*

*

21 22 23 24 25 26 27 28

4

I

§

з

I

(2

г

Ш-2/ мАу \Jg-g УЛрУ \Д 37 V У

.Л2_

/5

Микрокоординатник

Рис.1 Схема экспериментальной установки А - фрагмент трубы 2, В-В - сечение трубы со схемой компоновки термопар

Из парогенератора через патрубок 8 (9) в межтрубное пространство противотоком (прямотоком) движению жидкости подается насыщенный пар

(120° С), который отводится из канала через патрубок 9 (8).

Расходы воды и пара замеряются с помощью диафрагм ДКС 0,6-20 (23, 24) укомплектованных измерительными преобразователями «САПФИР 22ДД» модели 2430 погрешностью ± 0,25 %, блоками питания, преобразования и корнеизвлечения БПК-40. Показания расходов с БПК-40 подаются на показывающие самописцы РП-160-09 погрешностью ± 0,5 %.

Для замера давления воды на входе и выходе из трубы 2 используются преобразователи МИДА-ДН-01П (1, 21) с пределом измерения 0-0,6 МПа и погрешностью ± 0,5 %, укомплектованные показывающим прибором РП-160МП1-09 погрешностью ± 0,1 %.

Для измерения входных и выходных значений температур воды и пара используются термометры сопротивления ТСМ 50М (2, 19, 20, 28) погрешностью ±

0,25 %. Данные результатов измерения регистрируются показывающим прибором РП-160М1-20 погрешностью ± 0,1 %.

Температуры внешней стенки трубы 2 и температуры пара в ядре потока измеряются железно-константановыми термопарами ТЖК(Л) (3-18),

установленными в специальных щтуцерах 10-13, смонтированных на внешней стенке неподвижной трубы, и комплектуются вторичным прибором УКТ-38 фирмы “ОВЕН”, погрешностью ± 0,5 %, с восемью входами для подключения датчиков. Термопары ТЖК^) (4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18) устанавливаются в ядре потока межтрубного пространства и фиксируются в таком положении с помощью микрокоординатника. Термопары ТЖК^) (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17) в случае неподвижной трубы 2 плотно прижимаются к ее поверхности, а в случае вращения трубы 2 устанавливаются с помощью микрокоординатника на расстоянии 0,01 мм от ее поверхности и фиксируются в таком положении.

Измерение температуры воды в центре проточной части канала 2 производится железно-константановой термопарой ТЖК^) (27), смонтированной на натянутой струне 14 и перемещающейся вдоль оси трубы. Положение термопары в струне фиксируется с помощью микрокоординатника. Это позволяет сканировать параметры температур вдоль всей оси проточной части канала 2.

Скорость вращения трубы 2 замеряется маркерным бесконтактным датчиком ОПД-18М-1МР (22) и регистрируется счетчиком импульсов СИ-8 (0,1 мс, 8000 Гц) в диапазоне от 200 до 2000 об/мин.

Методика эксперимента состоит в следующем. В каналы 1, 2 соответственно подаются пар и вода. По достижении стационарного режима работы установки, который в эксперименте считается достигнутым после 3-4 кратной смены объемов воды и пара в проточной части каналов, при заданной скорости вращения и определенных расходах воды и пара одновременно замеряются давление воды на входе и выходе из трубы, температура воды и пара, температура стенки трубы 2.

» »»

Обозначим температуры пара на входе Тп и выходе Тп ; температуры пара Ты и тЩ (1=1..4), измеренные с помощью термопар (4, 6), (8, 10), (12, 14), (16, 18); температуры внешней стенки трубы 2 01 и ©(г = 1..4), измеренные с помощью

» »»

термопар (3, 5), (7, 9), (11, 13), (15, 17); температуры воды на входе Т и выходе Т ; массовые расходы пара Оп и воды О.

Площадь внешней поверхности теплообмена F определяется по выражению

F = п(Rq - rQ + 2h(Rq — r0 ))(пд sin у д + nK sin у K),

где Пд и пк - количество диффузорных и конфузорных элементов в канале. Среднюю температуру пара находим как среднюю арифметическую:

4

Тп,с, = (Т'п +Z0,5(Тп' + T"i ) + Т»)'*. i=1

Среднюю температуру поверхности F определяем как средневзвешенную

[3,4]:

4

© ср = 2 0,5(01 + © I )Fi / F, i=1

где Fi - часть поверхности F, содержащая i-ое сечение.

Среднюю температуру воды находим по формуле [3,4]

Тср = Тп,ср — A^log,

где A7j0g - среднелогарифмический температурный напор между паром и водой при противотоке:

ft t » »»

ATlog =---------------5-;----

Т — Т , 1п 1

ln —-------

T - T n

и прямотоке:

» »

»» »»

ATlog ="

ln

T - T n

»» »» T - T n

Тепловой поток, переданный от пара к воде, находим по уравнению

О-п = Опг,

где удельная теплота парообразования г определяется по средней температуре Т

*п,ср'

Для контроля теплового баланса количество переданного тепла определяется также по изменению температуры воды:

»» » й = аср (т — т),

где удельная теплоемкость воды Ср определяется по средней температуре ТСр.

Средний коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубы 2 определим как

йп

¥

Коэффициент теплопередачи теплообменника, отнесенный к внутренней поверхности трубы ¥ (при к = 0), вычисляем по уравнению [4]

йп

¥ДТ,

Тогда средний коэффициент теплоотдачи от стенки к воде а находим из соотношения

а = -

1

dэ dэ dэ

э э 1п э э

к 2Хс d э а ивэ

где d э, Бэ — внутренний и наружный эквивалентные диаметры трубы 2.

Полученные экспериментально значения температур пара и среднего коэффициента теплоотдачи от пара к стенке трубы 2 позволят рассчитать поле температур жидкости в проточной части канала и стенки вращающейся трубы по раннее разработанной математической модели конвективного теплообмена [5]. Проверка адекватности математической модели реальному процессу проводится по экспериментальным значениям температур в центре проточной части канала 2

путем их сравнения с расчетными значениями температур на оси ^0 [5].

Обработка результатов исследования конвективного теплообмена производится в форме безразмерной зависимости вида

Ии = ЛИ4 Яеп Ргт

( и 'к

Рг

Ргс

ч с У

Рг =----отнесены к

а

.. ЮГ0 аdэ 4G

где N =---------число закрутки; Ии =----------, Ке =--------

и0 ^ ж э

средней температуре воды Тср, РгС — к средней температуре стенки 0ср.

Постоянные в приведенном выше критериальном уравнении находятся методом последовательного приближения таким образом, чтобы при построении зависимостей соответствующих комплексов от каждого из четырех аргументов отклонения опытных точек от осредняющих кривых были бы наименьшими.

к

По измеренному перепаду давления Др вычисляется коэффициент гидравлического сопротивления £ :

2 5 п d э 2 АР

£ =----— g Р—^,

S 8L G 2 ’

который может быть использован для исследования полной теплогидродинамической эффективности вращающегося волнистого канала.

Обозначения

ro, Rq — наименьший и наибольший радиусы волнистого канала 2;

Y й, Y к — углы конусности диффузора и конфузора;

н

L - длина трубы 2; h =-----(H - толщина стенки канала 2, Y = Y д — в диффузоре,

cos y

Y = Y к — в конфузоре);

а — угловая скорость вращения; uq — начальная скорость воды;

X ж, X c — коэффициенты теплопроводности воды и стенки канала 2;

ц, v — коэффициенты динамической и кинематической вязкости;

g - ускорение свободного падения; a - коэффициент температуропроводности; р — плотность.

Summary

The description of the experimental installation and technique of research of convective heat transfer in the rotational vehicle with a rotated converging-diverging flow channel is adduced.

Литература

1. Авраменко А.А., Шевчук И.В., Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в

полях центробежных массовых сил. - Киев: Наук.думка, 1996. - Том 2. -

228 с.

2. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. - М.: Машиностроение, 1970. - 240 с.

3. Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М-Л.: ГЭИ, 1956. - 392 с.

4. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. -

М.: Энергия, 1979. - 319 с.

5. Пантелеева Л.Р., Золотоносов Я.Д. Математическая модель и алгоритм численной реализации конвективного теплообмена в аппарате с вращающейся рабочей поверхностью // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2003. - №1-2. - С.25-32.

Поступила 27.07.2004