автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Исследование интенсификации теплообмена для расчета и оптимизации негладких каналов криогенных устройств

Балашихинское ордена Ленина научно - производственное объединение криогенного машиностроения имени 40-летия Октября

На правах рукописи

УДК 536. 24

Сазонова Маргарита Григорьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ НЕГЛАДКИХ КАНАЛОВ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ

05. 04. 03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники п систем кондиционировании

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

У у У

у 1991

UCfl. 00 /уюу

Работа выполнена в Еалашихинском ордена Ленина научно-производственном объединении криогенного машиностроения имени 40-летия Октября.

Научный руководитель - кандидат технических наук, ст.науч.сотр. Будрик В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Макаров A.M.,

кандидат технических наук, ст.науч.оогр . Данилов С.А.

Ведущее предприятие - ШО "Гелиймаш", г.Москва

_3ащита диссертации состоится

совета К 169.01.01 Балашхинского ордена Ленина научно-производственного объединения криогенного машиностроения имени 40-летия Октября по адресу: 143900, г.Балашиха-7 Московской области, проспект Ленина, 67, НПО "Криогенмаш".

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ШО "Криогенмаш".

Отзывы на автореферат направлять по вышеуказанному адресу. Пропуск дои участия в заседании совета необходимо заказать по телефонам 521-77-56, 524-05-76. При себе иметь паспорт.

в /У час ЗУ мин. на заседании

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

•зьменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В различных областях народного хозяйства и, в частности, в криогенной технике многие устройства, например гибкие трубопроводы и кабели ЛЭП, сверхпроводящие магниты и теплообменные аппараты имеют негладкие каналы для теплоносителя.

Эти негладкие каналы с разной формой поперечного сечения (круглой, прямоугольной, плоской а кольцевой) могут быть об -разованы гофрированными трубами, различными сребренными стенками и токопроводниками с электроизоляционными проставками. Друтзд словами,станки негладких каналов содержат регулярные турбулизаторы (выступы и впадина) разных размеров и форм . Значения гидравлического сопротивления и теплоотдачи в таких каналах могут значительно превышать известные значения для гладких каналов,В связи с решением конкретных задач (в частности по интенсификации теплообмена) с оптимизацией каналов по металлоемкости, потерям давления и габаритам актуальное значение приобретает исследование гидродинамики и теплообмена в негладких каналах в широком диапазоне изменения основных геометрических параметров негладкой стенки.

Цель работы.Разработка методики расчета гидравлического сопротивления и теплоотдачи в негладких каналах, которая учитывает влияние основных параметров негладкой стенки и позволяет определять предельную интенсивность средней теплоотдачи

|\1иР • отнесенную ко всей тешгообменной поверхности стенки* Проведение оптимизации негладких каналов по массогабаритным характеристикам и потерям давления при заданных режимных параметрах.

Научная новизна работы. Разработана тешгогидродинамичес-•кая модель для стабилизированного турбулентного течения в негладком канале с учетом теории пограничного слоя и наличия зон отрыва основного потока за выступами. В модели предложено новое физическое обоснование постоянной интегрирования для негладкой стенки в универсальном логарифмическом законе распределения скоростей. При этом в отличие от существувдих методик расчета установлено самостоятельное влияние на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу основных геометрических параметров

негладкой стеяки практически во всем диапазоне их изменения в круглых и прямоугольных трубах, плоских и кольцевых каналах с равномерной и различной степенью "шероховатости" стенок по смоченному периметру. Впервые подучена расчетная зависимость для относительной дайны зоны отрыва основного потока иди угла между осью канала и условной разделяющей линией тока за выступами. Выявлена связь между профилями распределения скорости в температуры в зоне отрыва основного потока за выступами (при постоянном числе Прандтля). Предложена аналогия между средней теплоотдачей |\]цр и гидравлическим сопротивлением негладкой стенки (приведенных для узкого проходного сечения канала). Определена предельная интенсивность теплоотдача ^Up^/Nllr^ В' соответствующе ей параметры негладкой стенки в каналах при турбулентном течении. В каждом полученном расчетном соотношении содержится не более одной эмпирической константы, которая была обоснована и уточнена при обобщении опытных данных.

Практическая ценность. Предложенная в настоящей работе методика расчета гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи подтверждена хорошим обобщением (с точностью до - 2055) полученных и литературных данных для крутлых и прямоугольных труб, плоских и кольцевых каналов с равномерной и раз-дачной степенью "шероховатости" стенок по смоченному перлметру. Выполнена оптимизация негладких каналов с цель» обеспечения минимальных значений металлоемкости, потерь давления на трение и компактности при заданных режимных параметрах теплоносителя (расхода, тепловой нагрузки и температурного напора). Подученные результаты важны для разработки рациональной конструкции теплообмекяо-проточной части различных устройств, а также для проектирования высокоэффективных теплообменных аппаратов с предельной интенсивностью теплоотдачи в негладких каналах при турбулентном течении.

Реализация работы. Результаты работы использованы в НПО "Дряогенмаш'поя розрчботке ускопяге^ьно-кчюпптетыэгл «"жотек-за/инв,:* 2082 364 215 005 008 ИЗ/и пои созцчши гелиевого ргню стата с рефрижератором ня'уровень 0,ЗК /черт. КТ1? 17Ю 00 ООО/

Апробашя работы и публикации. Основные результаты рабо-

ты изложены в 3 статьях 1 и докладывались на следующих

конференциях: на ХХ1У Сибирском теплофизическом семинаре "Современные проблемы теории теплообмена и физической гидродинамики" ( Новосибирск, 1984г.); на У1 научно-технической конфе^ ренции молодых ученых и специалистов энергетики "Гидродинамическое сопротивление и теплообмен в энергоустановках" ( Алма-Ата, 1984); на 71 Всесоюзной школе - семинаре "Современные проблемы гидродинамики и тепломассообмена в пути повышения эффективности энергетических установок" .( Волгоград,1987); на 1У Всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике "Кряогеника-87 ( Москва,1987г.), на Ш Международном советское западногерманском симпозиуме по теплообмену в криогенных системах и высокотемпературной сверхпроводимости ( Харьков, 1989г.); на I Международной конференции по технике низких температур "Криогеника-90" (Кошде,1990г.).

Объем работы. Диссертация состоят из введения, семи глав^ выводов, списка использованной литературы, включающего 54 наименования, а также пвиложеняй.'Работа изложена на 226 листах, включая 73 рисунка и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш и основные ¡направления исследования.

1 В первой глава проведен анализ влияния на гидродинамику и теплообмен в негладких каналах геометрических и режимных параметров. Показано, что все регулярные турбулизаторы на стенках каналов, в частности оребрение, проставки, впадины, проточки, песочную и техническую шероховатость, юкно считать выступами разной формы и размеров (рис.1). Выявлены основные геометрические параметры негладкой стенки, влияицие на гидравлическое сопротивление и теплообмен при турбулентном течении. К ним относятся следующие (в исследованном диапазоне изменения): 1/0

- относительная высота выступов 71/К = 0,002 + 0,7;

- относительное расстояние между выступами= 0-5-200;

- относительная продольная ширина выступа $ = 0+200;

- угол наклона выступа к оси канала ф = 90° + 10°; 1

- форма верхней кромки выступа с тыльной по потоку стороны, т.е. острая ели закругленная (последняя - это такая, которая имеет радиус закругления больше 0,1 мм);

- форма передней стенки выступа, которую можно отразить через средний угол атаки основным потоком выступа в месте присоединения ( $ + / ) = 120° + 30°;

- относительная длина зоны отрыва основного потока

( tg/fl/ ) или угол между ось® канала и условной разделяющей линией тока ( 9 ) за выступами, т.е. величина t^/fv = = I fthQ , определяемая по ( % );

- относительная длина зоны отрыва разделяющей температурной линии ( tQj ) или угол мевду нею и осью канала

за выступами, т.е. величина i.Qr = /¡1bQT , опре -делаемая по ( 3 ).

Знание двух важных последняя параметров позволяет установить теплогидродинаыические условия обтекания основным потоком регулярных выступов на каждой участке между выступами Ь . В работе отмечается общее в характере отрывных течений за выступами, как в канале, гак и при внешнем обтекании.

Анализ визуальных наблвдений течения у негладкой стенки и опытных данных по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче Nup в негладком канале показал, что характер изменения от числа Рейнольдов Re зависит от формы тыльной кромки выступов. При наличии острой кромки на вершине выступов основной поток отрывается от нее при любых числах /?е . При турбулентном течении С ) величина сопротивления в угол €ЬО практически автомодальны по числу , где

/fa (П

^^рассчитывается согласно предложенной модели. При расстояниях между выступами i-^L £q основной поток отрывается от тыльной кромки выступа и присоединяется к передней стенке по-слвдуицэго выступа (рис. 2 ). т.е. в основной поток вы-

ступает верхняя часть выступа с высотой Оуд± Чем больше значение t ffb , тем нлже место присоединения разделящей линии тока на передней стенке каждого -выступа. При этом проаоходит увеличение и Nup/i^um (РИО-2.3) по

сравнению со~значендаши для тладкого канала . Причем изменение! Nup/Nür^(fpt/fr/i#>)' 9 fp* зависит ОТ i/P и форды кромки. Когда .расстояние между выступами давно длине зоны отрыва i~tq , основной поток присоединяется в основание последующе-, го выступа, т.е. fl'-h/ . Этому /словив соответствуют максимальные значения гидравлического сопротивления Д®1 каждой величины fi/R*CCnSt (инд.1 на рис. 2). Максимальные значения средней теплоотдачи Nupmai /Мйгл достигаются при несколько меньших расстояниях между выступами для каждого значения fl/R согласно различию в местах присоединения к стенке разделяющих линий тока и температуры ( 9т^ 9 ), т.е. при t= t gr ¿.ig .С ростом величины f\z(R максимальные значения ff>mQX и Ntlp mQX /Nun Увеличиваются, достигают наибольшего значения при АУп ~ 0,5, затем уменьшаются (рис.2 ). При t \i.Q основной поток, отрываясь от тыльной кромки выступа (рис.2 ^присоединяется к стенке до последующего выступа, при этом условия обтекания отличаются от условия при Lq и fa/R&COftSi уменьшением числа выступов на единицу длины канала, т.е..параметром tg/1 • Это приводит к уменьшению fp (и Ыа начиная от значения ~fpmcn. Д®1 каждого ßl /R = COnsi (рис. I ) и может быть выражено зависимостью

ft>k~£ СФ0-™ кромки В случае % n, форма передней стенки выступов мало влияет на гидравлическое сопротивление. Её влияние наблюдается только в случае, когда b.^ t q и А/R ¿LO.i . Влияние основных геометрических параметров негладкой стенки одинаково как для выступов с острой,так и для выступов с закругленной тыльной кромкой. Однако при закругленной кромке наблюдается более сложная зависимость сопротивления % от числа f\ß ввиду возможного изменения угла отрыва 0 основного потока :за выступом. При турбулентном режиме течения ( )

значение fpn* автомодель но к числу /?е в случае ¿ = , когда имеем для каждого h/fccon$t. в случае

значение увеличивается с ростом числа kt , и наиболь-

шее увеличение fpn* ПВИ R/? кр наблюдается при ¿=¿^0,5. С этим увеличением сопротивления согласуется повышение средней

теплоотдачи НирШигл • в слУчае t д о ростом числа Йвцр значекие Трп понижается, по сравнению с ?рп ^ ярд /?г /?СлЛр 'и может быть выражено в виде -е е /л /л

ТьЧк* ) , ( , ,

где пвгукр = » а значение ~гр/\ # рассчитывается согласно модели ( гл.2 ). Изменение ¡\1цр /Ыцгл зависит от (^Рть/Бсе значения при закругленной

кромке у выступов несколько ниже, чем значения

J•p^ при острой кроше, а средняя теплоотдача практически накова. Увеличение цродолъной ширины выступов (в) при $ ^ 3 & приводит во всех случаях обтекания их (когда

£ д ) в уменьшению количества выступов на единицу длины канала, по сравнению, • с ¿-0, что должно учитываться в зависимостях ( 13 ) - С 16 ) сомножителем При этом гидравлическое сопротивление и средняя тепло-

отдача Мир /М/га уменьшаются.

Уменьшение угла наклона выступов к оси канала ( ф )при ф^70° приводит к уменьшению коэффициента гидравлического сот-противленяя вплоть до значений, соответствующих гладкому каналу с продольными ребрами ( ф = 0°). Это геометрически учитывается введением в зависимости (13-14 ) и (15-16) сомножителя

Характер влияния ф, $ на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу при уточнен в гл.З.

Приведенный анализ влияния на, Нир/^игл основных параметров негладкой стенки-можно распространить на негладкие каналы разной формы поперечного сечения.

Общее сопротивление канала с разной степенью "шероховатости" негладкой стенки по периметру включает согласно балансу сил сушу сопротивлений для каждых участков стенки с конкретной "шероховатостью" fp¿

где ~ -Расочитывавтся согласно предложенной модели^'

> ~ •1>ада,Усы наружной и внутренней труб в основании выступов. При этом относительная высота выступов равна

Аг/^а* ¿¿/(о,5а + ) и Ъ/^ (о,5 а + Я/ ).

Можно в дальнейшем уточнить смещение линии тока максимальной

скорости (. игй)), которое пропорционально сопротивлению стенок

Во второй главе разработана те гсло гидроди на миче екая модель течения у негладкой стенки, которая основывается на тео-< рии пограничного слоя и наличии зон отрыва основного потока за выступом.

При турбулентном течении в гладком и негладком каналах касательное напряжение V связано с распределением скоростей

в основном потоков виде известной зависимости Драндтля

( & )

где С - длина пути перемешивания.

Изменение ее Л = от стенки до радиуса трубы

было установлено И.Никурадзе на основании измеренных распределений скоростей при Г=Гв(/~ Л /Я ) и выражается достаточно точно в виде .

<£= 0,4 /["1-0,65(^//?) (6 )

С этим изменением ( £ ) связана зависимость к$/г1 или 0 от его высоты к> . Опытные данные показывают (рис. £ ), что с ростом т величина ^ 0 увеличивается от 0 до некоторого максимального значения ^дтах по логарифмическому закону с учетом выражения ( в ), в котором текущий радиус у/Я заменяется на относительную высоту выступов_ я,/£ , т.е. имеем _ , . чл /л/«

Ьв!к - //¿0« Ш„ах ( * )

где 0,4/^-0,65/^/^)^] ( 8 )

»максимальные утлы 0,7 й ^^Л/пал = О»83 соот-

ветственно при острой и закругленной тыльных кромках у выступов. Как указывалось ранее (гл.1 ); профиль температур за выступом шире профиля скоростей, т.е. ¿¡¡Ог-^ £а9 (рис.2 и 3) Место присоединения разделяющей температурной линии за выступами при разных значениях !ь /й можно определить из условия , соответствуицзго Мс/р^д (рис.2,<£Д$,и по точке на стенке Е- £дг/А/ с максимальной локальной теплоотдачей (рис.-з';й ). В результате обобщение имеющихся опытных данных для. негладких труб ( = 0,02+0,7, ф = 90°г?СР

и ^¿.Зк- ) (рис. £ ) подучена следящая зависимость:

,где {$ по ( 7 ). Согласно известным ччнным по стгтному.. течению зя выступом, можно заразить и связь между распределениями скоростей и температуры в зоне отрыва основного потока за выступами при Рг = сопЯ в виде

Т"/Ттах= (и/ 1/тахУг^ С Ю )

где- Лт/Лу, ^0,5 • Измерение турбулентного числа , Рг^ - М/Лцг по радиусу трубы (которое получено при одновременных измерениях распределений скорости и температуры) хорошЬ согласуется с зависимостью вида

Из уравнения ( 5~ ) имеем известный универсальный закон распределения скоростей в любых каналах {Итох-С/ )/(/%■ -(//<$-о) Ьъ К. Следовательно, в логарифмическом законе распрер деления скоростей

и/и*=(1/2о)(Ьл- % ) ( " )

ваяно правильно устанавливать постоянную интегрирования у о ,для негладкой стенки. Здесь 11% Го//)0'^ и касательное на -пряжение на стенке связано с гидравлическим сопротивлением

и средней скоростью и) ^ в узком проходном сечении канала в виде ^ = &То/(/и))

Постоянная интегрирования для негладкой стенки имеет слег .дукщий вид:в случае ^ ^ с учетом ( 6 ), ( 7 ) и

(8 )

^ск'л/ЬВта^СлЬ^в/^Э^ СЛШ/Щбгщ) ¡и в случае г^ Ьд с учетом (6 ), ( 7 ) и ( 8 )

„ я;*#р /.-"^»а»«). <11 >

ПараметрД- учитывает влияние ширины выступа {ь±У1) и угла наклона выступов

'Значение -П-= / при ф = 90°-!-70о и . Коэффициент "С"

должен учитывать относительное изменение утла й&тОк/^З по'с 4 •). д V

Из универсального распределения скоростей с учетом

,( 12 ) получены следуодие расчетные соотношения по гидравлическое сопротивлению негладкой стенки: для случая £ = Ьо при & ^

^РтНфЩ9^ )-Щ1лЩвтак); ид)

для случая ^ ^ ¿д при в а кругленной кроше выступов "е^Цц)

лена из обобщения литературных данных и подтверждена в даль -нейшем дополнительными опытными данными, которые были необходимы по модели и отсутствовали в литература. При значениях h и fp^r 0,025 по (H-i£) следует переходить к

{/frf= значениях ^¿0,025 и ¿Л^

надо переходить к методу расчета сопротивления в канале с местными сопротивлениями. Уравнения ( /3 )-( /6 ) позволяет получать распределение скоростей в негладких каналах путем 'перехода к зависимости вида ( tf ) для заданных параметров негладкой стенки. .Например получено достаточно хорошее согласование .известного распределения скоростей в трубах с пе-сочной"шероховатостью" при Lf R = 0,002*0,067) тЦ= 2,5 вида

(У?)

о уравнениями (II) и (15).

Средняя величина -¿//L - 2",5 характерна для плотной компоновки зерен одинакового размера, приклеенных к стенке трубы.

Для стабилизированного течения в гладкой трубе аналогию между средней теплоотдачей и гидравлическим сопротивлением предложено выражать в известном виде для ö.-Рг = 0,5+30

, Йе PrQtr=Q02?ßePr, ■<« )

где l/frk

а для негладких каналов в виде

rJtip'Nun (fp /fr«. q> )т , (Й>

гда . при скй , по ( 13 м 16 >

или согласноуравнениям типа (/?-/£; для каналов с разны-

ми параметрами негладких стенок по смоченному периметру

П = 0,45 и m = 0,5 для выступов с острой в закругленной кромкой соответственно.

Для проверки предложенных расчетных зависимостей и распространения их на весь диапазон изменения основных геометри-

ческих параметров негладкой стенки были проведены дополнительные экспериментальные исследования ряда негладких каналов, необходимых по модели и отсутствующих в литературе.

Б третьей главе приведен;« описание экспериментальной установки в методики получения в обработки опытных данных. Опытная установка позволяла проводить исследование гидравлического сопротивления ^р и средней |\1цр ( и ло -кальной между выступами ) теплоотдачи при числах

= Ю3 + 4'10^ в различного рода негладких каналах,включая каналы натурного образца гибкого криогенного кабеля ЛЭП (см.табл.поз1)0пытные каналы имели участок гидравлической стабилизации потока длиной . Подвод тепловой нагрузи-ка ( С} ) к воздуху в опытном канале осуществляли путем пропускания по стенке канала тока от вторичной обмотки трансформатора. В качестве опытных каналов исследовались:

1); к ©утлая труба с высокими диафрагмами, имеющими закругленную-кромку, К/Я = 0,67, i/А, = 1+20 ( ф =

= 90°, 6 = 0). Труба из нержавеющей стали 12Х18Н10Т внутренним диаметром Ъ = 29,2 мм с толщиной стенки 0,4 Мм. Диафрагаы закрепляли на трех проволочных растяжках .плотно вставляли в трубу. Применяли два типа диафрагм. Одни были выполнены из малотеплопроводного материала (фибра) 4и = = 10 мм, 8 = I мм с радиусом закругления кромок 0,1*0,2мм. Эти диафрагмы предназначались для получения данных по гидравлическому сопротивлению (рис. 2 и фг ) и локальной теплоотдаче.на стенке трубы между выступами (рис.'З^ ) при стабилизированном течении, т.е. с измерением температурных напоров

{Гиг-Тл) на длине . В качестве датчиков

температуры применяли медь-конетантаноше термопары с холодными спаями, расположенными в тавдем льду. Другие диафрагмы были выполнены из меди МЗ толщиной 2 мм с развитым теплопереда-гацим основанием. Наружная поверхность этих оснований, которая соприкасается с внутренней поверхностью токопроводгацей стенки трубы, была электроизолирована с помощью тонкого лакового покрытия. Полученные данные по средней теплоотдаче при -ведены на рис.

2) гофрированные грубы согласно таблице . Лолучеяин«

данные представлены на рис.4.

3) медная груба ( Э = 37 мм, А^ = 2,5 мм) с широкими выступами ¿^Зп/ (где К = 1,5 мм) согласно таблице (для условий {" Ьд).

4):медная труба и нержавеющая труба (2) =3,6 мм, &иг - 0,4 мм) с накатанными поперечными выступами в виде

ролны ( ф = 90°) и трехзаходными спиральными выступами с удовлетворением условия (см.табл.на с 16.)

5) кольцевые каналы- с наружной негладкой и внутренней гладкой трубами разных диаметров согласно табл. Полученные данные представлены на рис.4а,(Г; поз.7-натурный образец.

6) кольцевой канал с двумя негладкими стенками с разными размерами выступов и величинами зазора"а" или Х- =

-К ! (0,5 й-+ А- ) согласно таблице . Полученные Данные представлены на ряс. I.

В четвертой главе проведен анализ полученных и известных данных по гидродинамике и теплообмену в негладких трубах. Показано, что полученные результаты экспериментального исследования хорошо согласуются с результатами влияний, основных параметров негладкой стенки на сопротивление ^р и теплоотдачу Мир • йлесте с тем,эти результаты позволили качественно расширить известный до настоящего времени диапазон изменения геометрических параметров в негладких каналах. Банено, что полученные данные дая негладкой стенки, например с высокими выступами,дали возможность (совместно с имеющимися данными для к/К 0,5) во-первых,окончательно установить эмпирическую константу ( ^ в та}, ) в обобщающих уравнениях (13-14) и (15-16), во-вторых)-константу 4,6 в уравнениях (13 ), (14),(15),( 16 ) для расчета сопротивления и средней теплоотдачи и, в частности,разных значениях к(К = 0,002+0,9 и форме кромки, а также подтвердить правильность предложенной зависимости для относительной дайны зоны отрыва потока за выступом ¿д и для 1$Т в (7 ) и ( 9 ), которым соответствуют ^тдхи Мцр,па^ •

В третьих, полученные данные позволила дополнительно проверить предлокеннув методику расчета гидравлического сопротивле-

идя и средне!, теплоотдачи для негладкой стенки при 6 Л ЗА' иф ¿¿90° в случав

В настоящей работе получены экспериментальные данные по локальной теплоотдаче в трубах с малотеплопроводными диафрагмами (рис. '3^). Полученные опытные данные по ней обобщены следуидим образом:( ^ ^ Ю4, Рр = 0,5+5). При этом для ,окрестности передней критической точки получена следующая за-

висимосгь(г*=|-№0Д1): 0,1 п 0,1

Ни^о,оМе'Рг . (во)

В зоне возвратного течения за выступами, т.е.от 0,25 до тыльной кромки выступов, когда = (¿вг/&)+/ при

или при Ь ¿. Ьщ , локальная тепло;-

отдача изменяется в виде пе£ 0»

Ькг^'МйеЪ г* . (*/ )

В зоне присоединившегося основного потока к стенке при £ Ьд , т.е. шиз по течению от = 0,25 до £> =

= локальная теплоотдача описыва-

ется в виде 066 оц ~рёг?

Ы<11Ь.Пр--0.г#е'Рг'¿* (¿2)

В пятой главе проведен анализ и обобщение полученных и известных данных по гидродинамике и теплообмену в каналах с различной шероховатостью стенок по периметру канала (рисДй,<Г и рис. 4,1 ). Хорошее согласование расчетных, опытных и литературных данных как в негладких трубах, так ив негладких ка-| налах (с точностью до ¿20$) подтверждает правомерность предложенных соотношений по гидродинамике и теплообмену.

В шестой главе представлена методика расчета гидравлического сопротивления и теплоотдачи заданного негладкого канала и оптимизация негладкого канала на заданные режимные параметры. Решение первой задачи основывается на зависимостях ( 9 ) - ( 16 ), предложенных в главе 2. Яда решения задачи оптимизации негладких каналов по металлоемкости, потерям давления и габаритам проведено сопоставление негладких труб с гладкой трубой при одинаковых тепловой нагрузке, температурном напоре, параметрах теплоносителя, расходе и диаметре гладкой трубы,равной диаметру негладкой трубы. На рис. в приведено сопоставление указанных груб.

В седьмой главе приведены примеры внедрения результатов настоящей работы. К числу рассмотренных каналов относятся гибкие гофрированные трубопроводы и криогенные СП-кабели, каналы СП-магнитов и т.д.

ом- -о-006 осч.

Моц/Мигл

■О)

Рис.1. Основные геометрические параметры в негладких каналах.

та

Т ТТГТТо~~5Г Рис.2. Влияние ¿/Я/ : а) на гидравлическое сопротивление я б) теплоотдачу; в -экспериментальный элемент Л I табл.;1,П расчет {неуказанные инд.-литературные данные.

ВЫВОДЫ

1. Выполнено комплексное исследование гидродинамики и теплообмена при турбулентном течении в негладких каналах разных форм поперечного сечения (круглых трубах, прямоугольных, плоских и кольцевых каналах) с регулярными выступами различных размеров и форм (с разнообразной "шероховатостью" стенок).

2. На основании систематизации большого экспериментального материала разработана теплогидродинамическая модель стабилизированного течения у негладкой стенки, базирующаяся на ¡теории пограничного слоя и наличии зон отрыва основного потока за выступами.

3. Выявлено влияние на гидравлическое сопротивление (теплоотдачу) основных параметров негладкой стенки, таких,как относительная высота выступов, продольная ширина, форма выступа и тыльной кромки, относительное расстояние между выступами, относительная длина отрыва разделяющей температурной линии практически во всем диапазоне их изменения.

4. Установлена расчетная зависимость относительной длины

Таблица

N«/(1 АЛ 1/1, ¿г Мл % Ч V Тяй канала

1 0,67 - 1+20 - - 0 90о Труба

2 0,08 - 7,3 - - 6,7 - Труба

3 0,125 - 10 - - - 56° Труба

4 0,125 - 10 - - - 90° Труба

5 - 0,078 - 4,6 - - Гофр, труба

6 - 0,64 - 4,6 0,9 - - Кольцевые

7 - 0,64 - - 4,6 0,9 - каналы с

8 - 0,246 - 4.(э 0,5 - - наруж.ореб

9 - 0,26 - 0,8 - - - Гофр.труба

10 0,099 0,52 4,8 0,8 • 0,4 - - Кольц.ка-

II 0,79 0,86 0,67 0,8 0,9 - - налн с 2-

12 0,36 0,71 0,33 0,8 0,7 - ш неглад-

13 0,59 0,72 0,65 0,8 0,7 - - кими стен.

/И'-/о1

к н б 8 ю к 1ч }е йфХкг

х^Рис.З. Сравнение эксперя *

ментальных и расчетных данннх;а) по гидравлическому сопротивлению;б) по средней теплоотдаче :ИЛ+А*[ ОА<»Ж=1,2,3,4,5,10,20, гл.тр.;в) по локальной теплоотдаче ¡¿/А =20

4 6 г ¡о* ' I к

<18 в/.

Об; Щ

й) ПТОГТГШе

1л

¿}/-| ____/- л>

0,06-о

_р ГДО □ □ по

О—О-О-О— "От*г» >1 ^»лггаппимишо тгсмгта ттогт_

-о-о-с-о-0—О-О-О—^"Т

1Г

Рис.4. Экспериментальные данные: а) по гидравлическому со—.

__п противлению; ol.no теплоотдаче:

1 I ж,о," элемент 5,6,Ч-,& ,табл. ;

в)ш> хидравли^сковд^сопоотив-леяйюгюяв-элемёнт 9,10,М,12Д , табл.; 1,П - раоч;ет

1-Ы5

ы-и

Рис.5.Оптимизационные расчетные кривые: а) по относительным коэффициентам гидравлического сопротивления и теплоотдаче; б) по относительным длинам и потерям давления; в) по относительной металлоемкости и компактности

«оны отрыва основного потока выступом от отно са тельной высоты и формы кромки выступа, а также получены соотношения для расчета относительной длины зоны отрыва разделяющей температурной линии.

5. Разработана методика расчета гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи (числа Нуссельта) за счет искусственной турбулияацив потока в негладких каналах с различной "шероховатостью" стенки по периметру, базирующаяся на знании характеристики по сопротивлению (теплоотдаче), негладкой стенав трубы с равномерной "шероховатостью" по периметру:

6. Выявлены условия, при которых может быть достигнут экстремум по теплоотдаче. Этим условиям для каждого^¡/Яс соотн ввтствует расстояние между виступами^®^^ . Установлено,что наибольший выигрыш по всем параметрам достигается для выступов с закругленной тыльной кромкой ф - 90° при $ =0;

=0,55+0,7 и^^^.при этоы1\||^/1Мигл= 4+4,5; потери давлен ния в негладкой трубе будут составлять О.БДРгл ; длина = г<; металлоемкость Мр = 1/11 Мгл и компактность V = 1/5,5 V™ . '

7% Установлено, что организация наклона выступов к оси канала под углом ф =45° позволяет дополнительно уменьшить в 1,5 раза потей давления в негладком канале дР/дРГЛ при нерачительных изменениях остальных параметров

; Мгл/Мр ; Угл/^я .

', Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Будрик В.В. .Сазонова М.Г. Гидродинамика и теплообмен в каналах с турбулизаторами различных размеров и формы // йдродинамическое сопротивление и теплообмен в энергоустанов-| ках-: Сб.науч.тр./ ЭНИН им. Г.М.Кржижановского. - М. ,1986. -174 с.

2. Будрик В.В..Сазонова М.Г.Тенлогидравлическая модель доя каналов с регуляторными выступами // Исследование процессов в конструкций в криогенных установках и системах: Сб. науч.тр./НПО„Криогеныаш.-Балашиха,1987.- с.79-95.

3. Будрик В.В. .Сазонова М.Г.Теплогидравлическая модель