Экспериментальные исследования вихревого течения жидкости в теплогенераторе

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТЫ

УДК 532:621.1

Ю. М. АХМЕТОВ, Р. Р. КАЛИМУЛЛИН, Р. Ф. ХАКИМОВ, В. А. ЦЕЛИЩЕВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЕ

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований течения несжимаемых жидкостей в вихревом теплогенераторе. Предложен комплекс безразмерных критериев анализа характеристик вихревых теплогенераторов. Вихревой теплогенератор; вихревое течение; кавитация, газовая фаза

Проблема интенсификации процессов тепломассообмена имеет важное значение для достижения прогресса в совершенствовании современных и создании новых энергетических и теплообменных аппаратов. Среди многообразия способов интенсификации теплообмена закрутка потоков рабочих сред является одним из наиболее простых и распространенных способов. Этот способ широко используется в энергонапряженных каналах теплообменников, химической промышленности и других технических устройствах.

Современные исследования показывают, что закрученные потоки привлекают к себе все более пристальный интерес как разработчиков, так и потребителей. Это обуславливается тем, что особые свойства закрученных течений имеют широкий диапазон технических приложений в энергетическом, теплообменном и технологическом оборудовании ядерной энергетики, аэрокосмической технике, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, на транспорте, промышленной теплоэнергетике.

Одним из направлений кафедры прикладной гидромеханики УГАТУ является исследование гидродинамических и тепловых процессов нестационарного течения несжимаемых жидкостей с целью разработки высокоэффективных принципов преобразования энергии.

Исследованиями показано, что одним из наиболее эффективных и экологически безопасных устройств для преобразования энергии вихревого движения жидкости в тепло является вихревой теплогенератор.

Контактная информация: тел. (347) 273-09-44 Исследования выполнены в соответствии с планом работ по направлению «Новые и возобновляемые источники энергии» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Для проведения экспериментальных исследований вихревого течения несжимаемых жидкостей спроектирована и изготовлена установка (рис. 1), оснащенная системой измерения давления и температуры. Экспериментальная установка объемом рабочей жидкости 0,02 м3 включает в себя электродвигатель 1 мощностью 15 кВт, центробежный насос 2 напором 7 м, вихревую трубу 3.

Рис. 1. Экспериментальная установка:

1 - электродвигатель; 2 - насос центробежный; 3 - вихревая труба;

4 - точки регистрации давления и температуры

Установка позволяет проводить экспериментальные исследования процессов высоконапорных вихревых течений в «пассивном» вихревом теплогенераторе.

В результате экспериментальных исследований удалось нагреть жидкость объемом

0,02 м3 до 100 °С за 11 минут. Рост температуры происходил линейно, однако рост давления имел форму пилообразной кривой (рис. 2).

300 400

Время, с

Рис. 2. Результаты экспериментальных исследований

При периодическом стравливании воздуха в емкости У1 и У2, как показано на рис. 3, давление в вихревом теплогенераторе (ВТГ) выравнивалось до определённого момента, а затем снова возрастало. В качестве рабочей гипотезы определён кавитационный эффект, определяющий характер гидродинамических процессов в теплогенераторе.

Рис. 3. Схема подключения емкостей для измерения количества выделившегося газа

Под кавитацией понимают появление в капельной жидкости областей (каверн), заполненных парами или газами, выделившимися из жидкости [1].

Кавитация относится к нестационарным явлениям, так как она представляет процесс возникновения, роста и схлопывания каверн.

Кавитация вызывает ряд эффектов, которые могут быть разделены на первичные и вторичные. К первичным эффектам гидродинамической кавитации, возникающим в местных сопротивлениях, можно отнести:

• повышение давления вследствие всхлопывания кавитационных каверн, сопровождающегося гидравлическими ударами;

• излучение звуковых импульсов;

• повышение температуры в зоне захлопывающихся каверн;

• конденсацию паров жидкости в зоне повышенного давления;

• люминесценцию - свечение

кавитационной области вследствие развития высоких давлений и температур в микрообъемах захлопывающихся каверн и др.

К вторичным эффектам кавитации, обычно приводящим к разрушению или изменению структуры материала стенок, ограждающих поток жидкости, можно отнести: механическое и температурное разрушение, окисление и др.

Так как вихревой теплогенератор является закрытой системой, то протекающие процессы являются изохорными. Тогда рост температуры сопутствует увеличению давления в системе.

Условие сжимаемости жидкости [2]:

Ар =,

V-Рр

где Рр - коэффициент объемного сжатия (м2/Н); У0 - начальный объем;

АV = V - Уп.

Знак минус в формуле обусловлен тем, что положительному приращению давления р соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема V.

Из условия температурного расширения [2]:

V = V

где рТ - коэффициент объемного расширения; АТ - перепад температур.

Рост давления по условиям

соответствует:

Ар = -^-АТ.

Р р

При подогреве жидкости объемом 0,02 м3 на температуру АТ = 17 °С теоретический перепад

давления составляет Др= 10,3 МПа. Однако по результатам экспериментов перепад давления Ар= 0,135 МПа (рис. 4).

АР экспер/ Па -10 4

/ДРэка іеримента пьмое

Ч,

АР ТЕОР 100

75

50

25

20

40

60 80 Время, с

100

120

0

140

Рис. 4. Сопоставление теоретического и экспериментального перепада давления

Это объясняется тем, что в системе имеется «газовая подушка», которая компенсирует перепад давления.

Известно, что в единице объема жидкости (вода) имеется некоторое количество растворенного газа, которое определяется по закону Генри [3]:

Уг /Уж = кР/Po,

где УГ - объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям (р0, Т0); УЖ - объем жидкости; к - коэффициент растворимости (для воды к = 0,016 при н. у.); р - давление жидкости.

Растворенные газы будут выделятся из жидкости, когда отношение к\ = УГ/УЖ превзойдет значение коэффициента растворимости газа к\, являющегося функцией давления р и температуры Т [3].

Результаты экспериментальных исследований выявили, что в системе, заполненной жидкостью (У = 0,02 м3), имеется больше газа, чем исходя из условия (5).

Это может объяснять то, что в определённый момент времени происходит интенсивное выделение растворенной газовой фазы, т.е. появляется эффект кавитации.

В связи с этим появилась необходимость выявления точного количества выделившегося газа в системе.

Методика измерения количества выделившегося газа заключается в следующем: выделившийся газ при кратковременном открытии дросселя из верхней точки ВТГ поступает в емкость У1 (рис. 4), заполняет воздушную подушку. Повышение давления в емкости У1 способ-

ствует перетеканию жидкости в емкость У2. Количество вытекшей жидкости соответствует количеству выделившегося газа из вихревого теплогенератора.

В табл. 1, на рис. 5 представлены результаты экспериментальных исследований по выявлению количества растворенного воздуха в вихревом теплогенераторе.

Таблица 1

Количество выделившейся смеси

№ замера Объем выделившейся смеси, мл

Емкость VI Емкость V2

0 1000 0

1 1000 12

2 1150 13

3 1400 61

4 1450 335

5 1600 490

Рис. 5. Количество выделившейся смеси при открытии дросселя

На основе обобщенной физикоматематической модели вихревого эффекта и на критериальной базе, предложенной

А. А. Фузеевой для газовой вихревой трубы [4], разработана наиболее адекватная критериальная база процесса повышения температуры в вихревой трубе. Рассмотрено геометрическое, динамическое, кинематическое и

термодинамическое подобие.

В результате обезразмеривания системы уравнений представленной математической модели и геометрических характеристик вихревых труб подобие предлагается описывать указанными ниже комплексами.

4 • ^

Геометрические: =----2- - отношение

п •

площади проходного сечения тормозного устройства к площади вихревой камеры, характеризующее степень сжатия потока;

г ^к ~

/ = —— отношение длины вихревой камеры к

ее диаметру, характеризующее размер зоны устойчивого вихря до спрямления потока и его

/ ¿ь

торможения; /ь =------- - отношение диаметра

¿Vк

байпасной линии к диаметру вихревой камеры, характеризующее параметры обратной связи по температуре и параметры потока в вихревой камере.

ляющей скорости к среднерасходной скорости во входном сечении конфузора.

ц • с

Термодинамические: Рг =

- число

Прандтля; Бг =

- число Фруда;

Ей =

р-и

- число Эйлера; БЬ =-------- - число

I

и

Динамические: ць =

0_

01

отношение рас-

хода потока через байпас к входному расходу; цк = О- - отношение расхода потока после

тормозного устройства к входному расходу;

4 • 01

Яе = -

ПУ1^1

отношение силы инерции к силе

вязкости (число Рейнольдса).

Кинематические: иг = — =

' и,

и рК

г~ с 01

- отно-

шение радиальной составляющей скорости к среднерасходной скорости во входном сечении и- и-РКс

конфузора; и = —- = -

и,

01

- отношение ок-

ружной составляющей скорости к среднерасходной скорости во входном сечении конфузо-

ра; иг = — = и

и рК

Струхаля; Яо = ^ - число Росби.

Выразим температурную эффективность трубы через перечисленные выше параметры:

П, = / (/, /, I.ь ^Д^Е^БЬ^Д0 ).

Таким образом, критериальная база вихревого теплогенератора позволяет устанавливать требования, которые следует предъявлять к лабораторной модели и проведению на ней исследуемого процесса, для того чтобы результаты моделирования могли быть использованы для проектирования реальных объектов.

В рамках приоритетного национального проекта «Образование» в 2007-2008 гг. в УГАТУ на кафедре прикладной гидромеханики в лаборатории учебного научного инновационного центра «Гидропневмоавтоматика» разработан многофункциональный стенд «Гидродинамическое моделирование высокоскоростного многофазного течения жидкостей» (рис. 6, табл. 2).

а б в

Рис. 6. Стенд «Гидродинамическое моделирование высокоскоростного многофазного течения жидкостей»: а - насосная станция; б - общий вид стенда; в - вихревой теплогенератор с узлом визуализации в вихревой трубе до крестовины

и

Таблица 2

Технические характеристики стенда «Гидродинамическое моделирование высокоскоростного многофазного течения жидкостей»

Параметр Значение

Мощность электропривода насоса вгип^08 СЯКЕ (контур высокого давления), кВт 22

Мощность электропривода насоса вгип^08 СЯМЕ (контур низкого давления), кВт 7,5

Напряжение питания электродвигателей, В 380

Максимальное рабочее давление, Пах105 25

Диапазон регулирования подачи, л/мин 0-830

Рабочая жидкость вода

Температурный диапазон рабочей жидкости, °С 0 - 130

Данный стенд позволяет моделировать течение жидкости в «пассивных» теплогенераторах с возможностью визуализации процессов течения вихревых высоконапорных струй жидкости (рис. 6, в).

Входящее в состав стенда устройство с ультразвуковым, высокочастотным и высокопотенциальным возбуждением кавитационных процессов с получением высокотемпературной плазмы позволяет производить экспериментальные исследования в области плазмообразующих технологий на основе безуглеродных водосодержащих жидкостей.

В результате проведенных экспериментальных исследований процессов высоконапорных вихревых течений в «пассивном» теплогенераторе на стенде гидродинамического моделирования за 2 часа жидкость объемом 0,5 м3 нагрелась до 60 °С (рис. 7, 8) [5].

т"с

Время,с

Рис. 7. Результаты экспериментальных исследований

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, получены экспериментальные данные о гидравлических параметрах вихревого теплогенератора.

Анализ эмпирических зависимостей при испытаниях вихревого теплогенератора позволил определить концепцию математического моделирования вихревого течения жидкости в теплогенераторе, определиться с начальными и граничными условиями, провести верификацию и вывести эмпирические коэффициенты.

4№#7ПАТЮ1ЧД1- 1Н4ТШМ£НТ5'

ОІАсІеш

Рис. 8. Изменение давления по тракту вихревого теплогенератора

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арзуманов Э. С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. М.: Энергия, 1978. 304 с.

2. Калекин А. А. Гидравлика и

гидравлические машины: учеб. пособие. М.: Мир,

2005.

3. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 2003. 840 с.

4. Фузеева А. А., Пиралишвили Ш. А. Подобие в вихревых энергоразделителях Ранка // Инженернофизический журнал. 2006. Т.79. №1. С.29-34.

5. Ахметов Ю. М., Калимуллин Р. Р., Целищев В. А. Численное и физическое моделирование течения жидкости в вихревом теплогенераторе // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета 2010 Т.14, №4

ОБ АВТОРАХ

Ахметов Юрий Мавлютович, доц. каф. прикл. гидромех., зам. ген. дир. НИИТ. Дипл. инж.-мех. по авиац. двиг. (УАИ 1959). Канд. техн. наук по тепл. двиг. (МАИ, 1978). Иссл. в обл. газогидр. течений и систем упр. энерг. установок.

Калимуллин Радик Рифкатович, аспир. той же каф. (УГАТУ, 2009). Дипл. инж. техн. и технол. по энергомашиностроению (УГАТУ, 2008). Иссл. в обл. высоконапор. многофаз. течения жидкости.

Хакимов Рустем Фанилевич, магистрант той же каф. (УГАТУ, 2010). Дипл. бакал. вакуум. и компресс. техн. (УГАТУ, 2009) Иссл. в обл. высокона-пор. многофаз. течения жидкости.

Целищев Владимир Александрович, зав. каф., проф. каф. прикл. гидромех. Дипл. инж.-мех. по гид-равл. машинам (УГАТУ, 1982). Д-р техн. наук по тепловым двигателям (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. автоматики энергетических установок.