автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Экспериментальное определение и разработка обобщенной методики расчета коэффициента теплоотдачи плоской поверхности к потоку газовзвеси

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

I. ВВЕДЕНИЕ.

П. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. ю

2.1. Обзор теоретических исследований гидродинамики и теплообмена при обтекании пластины потоком газовзвеси. <ю

2.2. Экспериментальные исследования теплообмена и гидродинамики при обтекании пластины потоком газовзвеси. \

2.3. Выводы по обзору и задачи настоящего исследования. 55 Ш. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МЕСТНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ И ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА.

3.1. Методика исследования теплоотдачи.

3.2. Экспериментальная установка. $

3.3. Измерительные участки.

3.4. Наладка установки и предварительные исследования.

3.5. Порядок проведения опытов.

3.6. Методика обработки опытных данных.

3.7. Измерения и приборы. у в

3.8. Оценка точности опытных данных. 20 1У. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МЕСТНОЙ

ТЕПЛООТДАЧИ.

4.1. Результаты измерения теплоотдачи к чистым газам.

4.2. Результаты измерения теплоотдачи к потоку аэрозоля.

4.3. Обобщение результатов измерения теплоотдачи к потоку аэрозоля. г■ - '-/ш*.

У. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ТЕПЛООТДАЧЕ ПЛОСКОЙ ПЛАСТИНЫ К ПОТОКУ АЭРОЗОЛЯ. юг

5.1. Модельные представления потока аэрозоля. Ю7 5.1Л. Квазигомогенная модель. юд 5.1.2. Модель двухскоростной сплошной среды. но

5.2. Постановка задачи и исходная система уравнений. Н

5.3. Решение уравнений для двухфазного пограничного слоя. /2 У

5.4. Расчет теплоотдачи пластины к потоку аэрозоля. /

5.4.1. Схема расчета функции тока . 12%

5.4.2. Схема расчета градиента температуры • 13> i ъ<2 ¡ч-о

У1. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. /

6.1. Результаты численных расчетов.

6.2. Сопоставление полученных результатов с данными других авторов.

ВЫВОДЫ.

Потоки газа, содержащего мелкие твердые частипы, интересуют многих специалистов, что объясняется распространением этих потоков в различных областях промышленности. Причем сфера их технического приложения постоянно расширяется. Наряду с такими традиционными отраслями как химическая, металлургическая, пищевая они получают распространение в ракетно-космической, противопожарной технике, при разработке средств, предотвращающих загрязнение атмосферы. Например, в работе [317 сообщается о применении смеси воздуха и летучей золы для дистанционной локализации очага пожара на угольной шахте.

В последнее время газовзвеси рассматриваются как один из перспективных теплоносителей в энергетических и теплоиспользуто-щих установках, например, в высокотемпературных ядерных реакторах. Сейчас прорабатывается возможность применения в таких реакторах в качестве теплоносителя запыленного гелия.

Для газовых теплоносителей характерны небольшие значения коэффициентов теплоотдачи и низкая объемная теплоемкость при невысоких давлениях. Поэтому установки с такими теплоносителями обычно имеют большие габариты и характеризуются значительными затратами на перекачку газа. Добавление в поток газа мелких твердых частиц увеличивает объемную теплоемкость потока, а теплообмен между компонентами интенсифицирует теплоотдачу в системе газ-стенка. При высоких температурах поверхностей нагрева теплоотдача возрастает также за счет лучистого теплообмена между стенкой и частицами. В связи с этим при запылении газа появляется возможность снижения его рабочего давления или объемного расхода.

Среди потоков газовзвеси наиболее интенсивно охлаждают нагретые поверхности аэрозоли - потоки газа с частицами размером не более нескольких микрон. Кроме того присущие потокам аэрозолей надежность циркуляции, неизменность гранулометрического состава твердого компонента, тепловая и гидродинамическая безинер-ционность являются важными факторами при практическом использовании аэрозолей в качестве теплоносителей нового типа. Имеющиеся технико-экономические расчеты указывают на эффективность применения аэрозолей для охлаждения в ядерных энергетических установках.

Для многих технических приложений газовзвесей большое значение имеет знание закономерностей теплообмена и гидродинамики таких систем. Расчет многих установок в энергетике,металлургии, химической промышленности и выбор оптимальных режимов их работы возможны только на основе данных по теплообмену запыленных газов. Эти данные необходимы также в ракетно-космической технике для обеспечения тепловых режимов ракетных двигателей и космических аппаратов в условиях воздействия на них запыленных газовых потоков. Оценка эффективности применения газовзвесей в качестве теплоносителей также возможна только на основе данных, описывающих изменение теплоотдачи и гидравлического сопротивления при добавлении в поток твердых частиц.

Сведения по гидродинамике имеют большое значение в пневмотранспорте различных сыпучих сред. Они необходимы также для понимания механизма теплообмена потоков газ-твердые частицы.

Несмотря на большое число работ, посвященных изучению тепло обмена и гидродинамики потоков газовзвеси, данная проблема еще далека до своего окончательного решения. Это связано, во-первых, со сложностью протекающих в таких системах процессов и большим количеством определяющих факторов; во-вторых, с многообразием систем газ-твердые частиш.

В настоящей работе исследуется местная теплоотдача при обтекании плоской поверхности потоком аэрозоля. Плоская поверхность /пластина/ является широко распространенным элементом поверхностей теплообменных аппаратов и устройств. Даже начальные участки таких элементов, как трубы, с позиций протекания в них тепловых и гидродинамических процессов можно рассматривать как пластину. Обтекание тел различной формы в первом приближении также можно изучать на примере плоской поверхности. Поэтому знание закономерностей теплообмена на пластине имеет большое практическое значение.

Исследование теплоотдачи плоской поверхности к запыленному газу представляет и научный интерес. Теплообмен пластины тесно связан с гидродинамикой ее обтекания. Б связи с этим появляется возможность установить такую связь для газовзвесей и углубить наши знания о механизме теплообмена в неоднородных средах.

Автор считает необходимым выразить благодарность научному руководителю профессору Сукомелу A.C., к.т.н. доценту Цветкову Ф.Ф., к.т.н. Керимову Р.В., постоянное внимание и поддержка которых способствовали улучшению работы.

П. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Исследованию теплообмена и гидродинамики потоков газовзвеси посвящено довольно много работ. К настоящему времени написан ряд монографий /~I-5J , в которых с общих позиций рассматривается большой круг задач гидродинамики и теплообмена различных дисперсных систем, в том числе и газовзвесей.

Наиболее обширные исследования проведены для случая движения запыленного газа в трубах и каналах. Накопленные данные систематизированы в монографии [6] . Экспериментальные исследования позволили выявить влияние некоторых определяющих факторов и дать рекомендации по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления между стенкой и потоком.

В то же время работы, в которых исследуется теплообмен и гидродинамика при внешнем обтекании тел потоком газовзвеси весьма малочисленны. В основном они посвящены теоретическому исследованию гидродинамики.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана и проверена методика исследования теплоотдачи плоской поверхности в небольшой цилиндрической камере. Получено уравнение, описывающее теплоотдачу пластины, находящейся в такой камере. Как следует из уравнения, теплоотдачу такой пластины можно определять как теплоотдачу пластины, обтекаемой неограниченным потоком, а влияние геометрии камеры учитывать дополнительным параметром.

2. Спроектирована и создана установка для экспериментального исследования местной теплоотдачи к потоку аэрозоля.

3. Получены опытные данные по местной теплоотдаче плоской поверхности к потоку аэрозоля. Исследованием охвачена область весовой расходной концентрации К от 0 до II и чисел Ив у от 750 до 96000. В этом диапазоне параметров потока аэрозоля не обнаружено возрастания местной теплоотдачи по длине поверхности, характерного для перехода от ламинарного режима течения в пограничном слое к турбулентному.

4. Опытные данные обобщены в виде зависимости, удобной для практических расчетов.

5. Рассмотрена возможность описания потока аэрозоля на основе квазигомогенной модели и модели двухскоростной сплошной среды. Показана правомерность такого описания.

6. На основе модели двухскоростной сплошной среды аналитически решена задача о теплоотдаче пластины к ламинарному потоку аэрозоля при граничном условии 1сг -сопб1 .

7. Для полученного решения разработана методика, составлена программа и проведены численные расчеты местного коэффициента теплоотдачи.

8. На основе аналитического решения и численных расчетов получено критериальное уравнение, которое описывает местную теплоотдачу плоской поверхности к потоку аэрозоля в диапазоне концентраций частиц К=0- 50, теплоемкостей Ст/Со =0- 5, плотностей Ю4.

В первом приближении модель двухскоростной сплошной среды дает такие же результаты как и квазигомогенная модель.

9. Оценена область применимости квазигомогенной модели. Для оценки предложено критериальное уравнение.

10. При сравнении опытных данных с данными других авторов и результатами аналитического решения для всех опытных данных обнаружено возрастание степени числа /?ел,*по сравнению с аналитическим решением. Для объяснения этого необходимы тщательные экспериментальные исследования структуры потоков газ- твердые частицы.

1. Горбис З.Р. Теплообмен и гидродинамика дисперсных сквозных потоков. М. "Энергия", 1970, 423с.

2. Фортье А. Механика суспензий. М. "Мир", 1971, 264с.

3. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М. "Мир", 1971, 536с.

4. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М. "Мир", 1975, 378с.

5. Уоллис Г.Б. Одномерные двухфазные течения. М. "Мир", 1972, 440с.

6. Сукомел А.С., Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при движении газовзвеси в трубах.1. М. "Энергия", 1977, 192с.

7. ОН&гтап B.^Xez S.L. Po.t.í¿c6e mi^xccííoh Ln ¿aminctt m£x¿nc¡ of a iu4fien*ion wl¿h a efean Jfuic/. 2/1MP9 /969, V. 209 a/?5, f>.

8. Oiíezman S.L. Poaíícu6a.it ve&ciéy etnd con-ceniteciior? fiiojcéki 6a.mLn.cLi j£ow a. luí pensiónvei a J£a.i p6uie . Ръос. 197o Heo.1 Ticcnijet anc/ fiuLcl /¿¿e&hanic-b Jn^íiíuíe, Síanjoic/? CafrjoxnícL, 1970, p. 3H-322.

9. Soo S.L. m. i ШХ 2 CLr>ol iepCLZClleoí jCoVJ (T)^ CL J?at£¿-cu.8aie ■SU'Spe.núíon. /}sitona.u.l¿ca ^c¿ar9 v; /•/, л/sS, p. 422-W.

10. Soo S.L. Non-e.au±£í& "iiu.ni j£ci¿c¿ cLin.ee/Tiicb — £ccm¿/?al. j&w ovei a. j£<xí рвсс1е. ZAMP, ÍS6S, V. 13, л/^/, p. S4S-563,

11. Coy С. Динамика заряженных суспензий. В сб. "Реология суспензий". М. "Мир", 1975, с.140- 284.

12. TaSakoJJ W., Hamed Л. The ioundaiy ¿a ye* о/рагйси-£a¿e Z. SS?2, v. 20, л/?/0,р. 373-379.15. jfain Д. Cosh Л. Саб-pat-iicutccie ¿ccmina.2 £ounda.lyojo a J£a¿ p^uíe. Z. fd¿$w¿ss. WeEízuumjoncb,1Э79, v.3, лр. 23-3?.

13. Siukee .]. Jnltp&e meihod as apfi&ec/ {o a íutiu -tent Soundaitf вси^&г oja gal-loád Suspensión. Pousdez Teohnoe., <1971, v. л/^З, р.

14. Сукомел А.С., Клименко Ю.В., Цветков Ф.Ф. Теплообмен газографитовой взвеси на начальном гидродинамическом участке трубы. М., Труды МЭИ, 1978, вып.364, Исследование теплофизичес-ких свойств веществ и процессов теплообмена, с.48- 56.

15. Сукомел А.С., Корюкин С.И. Экспериментальное исследование местной теплоотдачи к аэрозолю на начальном участке трубы с плавным входом. М., Труды МЭИ, 1977, вып.336, Исследование свойств веществ и процессов теплообмена, с.65- 70.

16. Сафонов В.Г., Синицын В.А. Исследование сложного теплообмена в запыленном газовом потоке на пластине. В сб. "Теплообмен излучением", Новосибирск, 1977, с.65- 71.

17. Ларионов И.Д., Сыромятников Н.И. О структуре пристенной зоны дисперсного потока при продольном обтекании плоской пластины. ИФЖ, 1972, т.23, М, с.646- 649.

18. Sinket J.J. у S oo S.L. ~Ги1&и£е.п£ J£oW oj CL illl/bernSiOFi into cl c,hctnne6. Ро\л/с1е.г Techno^. y J963, V. 2 л/^S />. 278-229.

19. Ccti€son С. R., Peikín R.L. One-dimeпропав paziccfe. ve-£oc¿éy pioßa.Bl£¿¿y densiiiet meat uteci in tu.i£u.£eni ga-i -pccbiícdt clucí j£ow. 3ní. J. /Uu.£é¿fi/ia'.\e F£o\J,p. 67-78.

20. Eliicxv S.L. PcL-zítcíe^ m¿^2a.é¿on en ¿a./n¿n.a.i

21. SoLLncLcLty iaye-z. Jéúw. Jn¿. J. Mu£¿¿pka.$e F¿ow, /973,p. 73-82.

22. Стоке. Теоретическое исследование режимов течения при нисходящем движении смеси газа с твердыми частицами в вертикальном канале. Теоретические основы инженерных расчетов, 1978, т. 100, М, с. 120- 122.

23. Петухов B.C. Опытное изучение процессов теплопередачи. М.-Л., ГЭИ, 1952, 344с.

24. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М. "Энергия", 1979, 320с.

25. Цветков 3>.Ф. Исследование местной теплоотдачи от стенки трубы к турбулентному потоку газа, несущему взвешенные твердые частицы. Диссертация. МЭИ. 1967, 105с.

26. Жукаускас А., Жюгжда И. Теплоотдача в ламинарном потоке жидкости. Вильнюс, "Минтис",1969, 264с.

27. Bosw¿2¿/? Л. /Ue.т ungen de-i Tem/zeia.éu'i.cj'ze.n.zsc-hich.'í an cU-г. .cfiCLn^tLli-Lbmien P£*í¿e. Chem.-Jn^.- Techn., 1374, V.46, л/22, s. 871.

28. Раъ/с/гигб í &.F., Peat man C.J. Convecéive hea.¿ ¿ъ.а.п-1-Jez jtom a s€m¿- injínLÍe p&xíe ¿o pez¿ocí¿c j£ow ai i/a"zLolls a.ng&>b oj ¿ncioiencjL. AJeíeoxo€. ? Y$?49v./3, л/23, p. 383-393.

29. Дейч M.E. Техническая газодинамика. M. "Энергия", 1974, 592с.

30. Теплофизические свойства веществ. Справочник. Под ред. Н.Б. Варгафтика. М.-Л., Госэнергоиздат, 1956, 367с.

31. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М. "Энергия", 1978, 704с.

32. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М. "Энергия", 1967, 412с.

33. Сукомел А.С., Величко В.И., Абросимов Ю.Г. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах. М. "Энергия", 1979, 216с.

34. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М. "Наука", 1972, 720с.

35. Жукаускас А., Шланчаускас А. Теплоотдача в турбулентном потоке жидкости. Вильнюс, "Минтис", 1973, 328с.

36. Спурый К., Йех Ч., Седлачек В., Шторх 0. Аэрозоли. М. Атом-издат, 1964, 360с.

37. Кэй Д., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. М. Физматгиз, 1962, 248с.

38. Рахматулин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред. ПММ, Г956, т.20, вып.2, сЛ84- 195.

39. Крайко А.Н., Стернин Л.Е. К теории течений двухскоростной сплошной среды с твердыми или жидкими частицами. ПММ, 1965, т.29, вып.З, с.418- 429.

40. Нигматулин Р.И. Методы механики сплошной среды для описания многофазных смесей. ПММ, 1970, т.34, вып.6.

41. Дорохов И.Н., Кафаров В.В., Нигматулин Р.И. Общие уравнения движения многофазных многокомпонентных монодисперсных систем с химическими реакциями и процессами тепло- и массопереноса. Теор. основы хим. технологии, 1977, т.II, №2, с.163- 176.

42. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М. "Наука", 1970, 904с.

43. Галин JI.А., Гупало Ю.П., Черепанов Г.П. Континуальная теория псевдоожижения. Сб. "Механика многокомпонентных сред в технологических процессах", 1977, с.26- 57.

44. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. "Наука", 1974, 712с.

45. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М. Атомиздат, 1968, 484с.

46. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. М. "Наука", 1975, 352с.

47. Бахвалов Н.С. Численные методы. М. "Наука", 1973, 632с.