автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Исследование теплообмена в каналах с искусственной турбулизацией потока и разработка обобщающего метода сравнения теплогидравлической эффективности теплообменных аппаратов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

УДК 536.24

^ ^ На правах рукописи

•I О ' ■ ; ' ' ! -> I Л! . ■

I и : Ь.:п

ЯКИМЕНКО Роман Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ С ИСКУССТВЕННОЙ ТУРБУЛИЗАЦИЕЙ ПОТОКА И РАЗРАБОТКА ОБОБЩАЮЩЕГО МЕТОДА СРАВНЕНИЯ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05 Л 4.05 "Теоретические основы теплотехники"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996 г

Работа выполнена в Российском Космическом Агентстве.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Дзюбенко Б.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Шейпак А.А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Смирнов Л.П.

Ведущая организация: ВсероссийскгаЧ: научно -

исследовательский и проектно -конструкторский институт атомного энергетического машиностроения (ВНИИАМ)

Защита состоится ¿у^/^э. 1996 в /~5 часов на

заседании Диссертационного Совета ССК 053. 04. 01 при Московском государственном авиационном институте (техническом университете)

Отзывы в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу. 125871, Москва, ГСП, Волоколамское шоссе, 4, МАИ.

Автореферат разослан "_"_ 1996 года

Ученый секретарь Совета, кандидат технических наук, доцент

Т. В. Михайлова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследований

Теплообмснныс аппараты (ТА), входящие в состав энергетических и двигательных установок космических и летательных аппаратов во многом определяют их массо - габаритные характеристики, поэтому стремление сделать ТА компактными и повысить выходные характеристики делает проблему интенсификации теплообмена исключительно важной. Поскольку одновременно с интенсивностью теплообмена в каналах увеличивается и гидравлическое сопротивление, при оптимизации ТА необходимо учитывать теплогидравлическ'ую эффективность теплопередающих поверхностей, которая может быть различной для различных значений чисел Рейнольдса. Для сравнения теплогидравлической эффективности разрабатываются специальные методы, причем, как правило, сравнение теплогидравлической эффективности ТА проводится для однотипных каналов, с предъявлением определенных требований к форме представления экспериментальных данных. Поэтому, для более широкого охвата теплопередающих поверхностей, существует необходимость в проведении сравнения теплогидравлической эффективности для геометрически неподобных каналов ТА, в том числе с интенсификацией теплообмена, по экспериментальным данным, представленным в произвольной форме. Наблюдаемый в настоящее время рост цен на энергоносители и сокращение их разведанных запасов приводят к необходимости широкого использования в энергетике эффективных ТА, позволяющих, при заданных массо - габаритных характеристиках, экономно расходовать энергоресурсы за счет высоких выходных характеристик, или же, при заданных выходных характеристиках, уменьшать металлоемкость и габариты ТА. Этот фактор повышает роль исследований интенсификации теплообмена и методов сравнения теплогидравлической эффективности. Ранее опубликованные методы сравнения теплогидравлической эффективности ТА не позволяют проводить всесторонний анализ теплогидравлических характеристик различных форм теплопередающих поверхностей при разных способах интенсификации теплообмена и указать для каждого из них область преимущественного применения, что приводит к необходимости разработки обобщающего метода сравнения теплогидравлической эффективности ТА.

Цслиработьх:

- расчетно - экспериментальное исследование закономерностей теплообмена и гидравлического сопротивления в условиях интенсификации теплообмена в каналах различной формы за счет искусственной турбулизации потока;

разработка нового обобщающего метода сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей ТА, позволяющего сравнивать поверхности произвольной конфигурации, в том числе геометрически неподобные, по экспериментальным данным, представленным в произвольном виде, и не предполагающего процедуры прямого расчета на заданные режимные параметры;

анализ теплогидравлических закономерностей течений теплоносителей в каналах различной формы;

- сравнение теплогидравлической эффективности ТА при течениях теплоносителя внутри труб разной конфигурации и в межтрубном пространстве пучков при их продольном и поперечном обтекании теплоносителем.

Научная новизнарезультатов.работы:

выполнено обширное расчетно - экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик течений теплоносителей в различных каналах с искусственной турбулизацией потока и получены новые критериальные зависимости, описывающие теплообмен и гидравлическое сопротивление;

разработан новый обобщающий метод сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей ТА, позволяющий существенно расширить область исследований за счет привлечения более широкого круга экспериментальных данных;

установлено, что относительная теплогидравлическая эффективность трубных пучков зависит от значений определяющих параметров и для различных областей изменения этих параметров может быть либо меньше, либо превышать эффективность других пучков;

- обнаружено влияние теплофизических свойств теплоносителей на результаты сравнения теплопередающих поверхностей;

- получены новые зависимости, отражающие результаты сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей при течении теплоносителей внутри труб разной конфигурации, в том числе с интснсифихаторами теплообмена и в межтрубном пространстве пучков труб при их продольном и поперечном обтекании в зависимости от определяющих режимных и геометрических параметров;

Практическая ценность результатов работы

Выполненные в диссертации исследования имеют большую практическую ценность, поскольку рациональное применение

полученных в работе данных по теплообмену и его интенсификации позволяет создать теплообменнике аппараты, которые, работая в составе энергетических и двигательных установок, приводят к сокращению потребления энергетических ресурсов и улучшению рабочих характеристик. Транспортные наземные, летательные и космические аппараты с более эффективными теплообменниками будут легче, компактнее, дешевле и обладать повышенными выходными характеристиками. Практическая ценность результатов работы заключается также в том, что в ней даны практические рекомендации по выбору геометрических параметров и конфигураций широкого класса трубных пучков, в том числе, с интенсификаторами теплообмена, необходимые при проектировании теплообменных аппаратов. Разработанный в диссертации новый метод сравнения

теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей может быть использован при проектировании ТА как непосредственно, так и в качестве первого шага итерации численного анализа баз данных по теплопередающим поверхностям. Полученные результаты исследования, сделанные выводы и рекомендации были использованы при разработке проектов ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ), а также ТА систем охлаждения выхлопных газов стендов для испытания прямоточных воздушно - реактивных двигателей.

Вланнрй pa ботезащзпцаются следующие положения:

1. Результаты исследования теплогидравдических характеристик в различных каналах с искусственной турбулизацией потока методом теплообменника типа "труба в трубе" и полученные критериальные зависимости.

2. Новый обобщающий метод сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей, в том числе при отсутствии геометрического подобия.

3. Анализ экспериментальных данных по теплообмену и сопротивлению для течения внутри труб разной конфигурации, в межтрубном пространстве пучков при течении вдоль и поперек груб.

4. Результаты анализа теплогидравлической эффективности, позволившего установить границы областей преимущественного применения рассмотренных теплопередающих поверхностей.

Апробациярезультатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались на двух всесоюзных конференциях "Опыт эксплуатации и пути совершенствования теплообменного оборудования ", Севастополь, в 1991 и 1992 годах, на международной конференции "First International Conference on Aerospace Heat Exchanger Technology", Palo Alto, USA, в

1993 году, на международном симпозиуме "International Symposium on New Developments in Heat Exchangers", Lisbon, Portugal, в 1993 году и на первой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, в 1994 году. Результаты отражены в четырех публикациях [24,6] и двух научно-технических отчетах [1, 5].

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Объем работы составляет 152 страницы, включая 42 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 102 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во_введении обоснованы актуальность проблемы, практическая значимость и научная новизна работы, сформулированы цели исследования и перечислены положения, выносимые на защиту.

В___первой__главе дан обзор наиболее известных работ,

опубликованных за период с 1937 по 1990 год, посвященных методам сравнения эффективности тегшопередающих поверхностей и проанализирован характер различий и сходства описанных в них методов. При этом отмечено увеличение числа публикаций во время энергетического кризиса начала 70-х годов и появление новых публикаций в последние годы. После краткого изложения методов сравнения и их классификации по условиям сравнения и критериям качества сделан вывод, что наибольшее распространение получили методы, в которых условием сравнения является одновременное равенство среднеинтегральных перепадов температур AT, тепловых мощностей Q, мощностей на прокачку N (или потерь давления АР) и расходов G теплоносителя: №,Q,N(&P),G = idem. Это, по существу, отражает наиболее распространенную форму постановки задачи на проектирование теплообменников. Среди рассмотренных методов сравнения не удалось найти таких методов, которые бы в полной мере отвечали целям, сформулированным в данной работе, то есть, сочетали общность, универсальность я простоту.

Во второй_ главе представлены результаты экспериментального исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с искусственной турбулизацией потока при течении воды с числами Рейнольдса Re = 2*103 -г 104. Исследовались трубы с применением двух известных способов интенсификации - закрутки потока в витых трубах

овального профиля, турбулизации пристеночного слоя за счет накатки на круглых трубах, и, что исследовано впервые, сочетание этих двух способов. Исследования велись методом теплообменника типа "труба в трубе", для чего была разработаны экспериментальная установка, методика проведения экспериментов и методика обработки экспериментальных данных, которые обеспечивали необходимую точность эксперимента. Схема экспериментальной установки и системы измерений представлены на рис. 1. Первичные экспериментальные данные были обработаны при помощи численных методов, в результате чего для течений внутри каждой формы исследованных труб были получены степенные критериальные уравнения для вычисления чисел Нуссельта Ыи и линейных коэффициентов гидравлического сопротивления Л/г: Мы = Л*Рг°4*Ке"; Х,г = О*Не™, справедливые при

Яе = 2*10' -ь Ю4. На рис 2 и 3 представлены эти экспериментальные зависимости для течений внутри витых и круглых труб, соответственно. В четвертой главе, наряду с анализом литературных экспериментальных данных по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при течениях теплоносителей внутри труб, дан анализ сравнительной

теплогидравличсской эффективности труб с интенсификаторами теплообмена, цъ основании новых экспериментальных данных.

В третьей главе дан вывод основных соотношений нового обобщающего метода эффективных параметров в предположении, что термическое сопротивление теплопроводности стенки и сопротивление теплоотдаче при течении теплоносителя вдоль поверхности, противоположной рассматриваемой, намного ниже, чем сопротивление теплоотдаче при течении теплоносителя вдоль рассматриваемой теплопередающей поверхности, и что ими можно пренебречь. Исходные уравнения, описывающие условия сравнения для элементарных ячеек двух сравниваемых форм теплопередающих поверхностей, если известны экспериментальные критериальные зависимости числа Нуссельта и коэффициента гидравлического сопротивления £ от числа Рейнольдса Ми = /(Ле,...),£ = ^(Яе,...) имеют вид:

- условие равенства тепловых мощностей:

6, аг ^

б2 а^Т^ а,

- условие равенства мощностей на прокачку теплоносителя:

АГ, _ АР2СУ2 _ £ ^ АГ, АРхСп &

= 1,

(2)

- условие равенства расходов теплоносителей:

где индексы "1" и "2" относятся к сравниваемым формам; Оу - объемный расход теплоносителя; а - коэффициент теплоотдачи; £ -коэффициент гидравлического сопротивления; £ - площадь тсплопередающей поверхности; V- среднеинтегральная скорость теплоносителя в характерном сечении теплообменника; со - полная площадь проходного сечения теплообменника.

После предварительного сравнения двух трубных пучков, обтекаемых в продольном направлении и обобщений, позволяющих сравнивать как трубные пучки, так и теплопередающие поверхности произвольной формы, выводится выражение для отношения чисел Рейнольдса в сравниваемых элементарных ячейках при выполнении условий сравнения:

(4)

Яс,

■V», с,п п, А

где Сд,- обобщенный фактор сопротивления; П - обобщенный периметр элементарной ячейки; / - площадь характерного проходного сечения; с! - характерный размер.

Из выражения (4) следует, что для выполнения принятых условий сравнения применительно к произвольному числу элементарных ячеек достаточно равенства значений эффективных параметров ,

характеризующих эти ячейки:

*Ке, (5)

Яе

•м

N11 П </3

где р - произвольная постоянная, имеющая размерность длины, которая принята равной 1м.

При этом второй эффективный параметр М/,#, характеризующий площадь теплопередающей поверхности, имеет вид:

= (6)

Очевидно, что при выполнении принятых условий сравнения отношение площадей тсплопередаюших поверхностей обратно отношению эффективных параметров Ыи^:

а, Л'г<2 </, ЫК[1г '

Наряду с основным критерием качества, каким является площадь теплопередающей поверхности, были выведены выражения для других критериев - объемов, площадей поперечного сечения и длин теплообменников.

При помощи зависимости Ш,я = Лгиг1 (Ке,ж), получаемой в параметрическом или явном виде по формулам (5) и (6), на основании экспериментальных критериальных уравнений Л« = /(Яе) и £ = ^(Ке), можно проводить сравнение теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей независимо от их конфигурации и конкретной формы критериальных уравнений.

При анализе сравнительной теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей при помощи метода эффективных параметров необходимо учитывать погрешности самого метода, которые связаны с погрешностями экспериментальных критериальных уравнений следующим образом:

МЧ„ _ АЫи АЯе.^ _ 1 ^ДСл \ ^ Щи АЯе ~ Ии ' ~г сф 3 Ыи Яе

Эффективный параметр Яе((7 можно определить не только при помощи критериальных уравнений Ыи=/ (Яе) и £ = $5(Яе), но и непосредственно, через режимные параметры, входящие в условия сравнения, следующим образом:

1

3

, (7)

где у - размерный множитель, принятый равным 1 К, Аг[г

безразмерный комплекс, учитывающий влияние на результаты сравнения теплогидравлической эффективности теплофизических свойств теплоносителя:

А = Pr.if-.rfi2, <8>

Ц V

где Рг - число Прандтля; у- коэффициент кинематической вязкости; ср - коэффициент удельной теплоемкости при постоянном давлении.

Следует отметить, что переход от сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей на одном теплоносителе к сравнению их эффективности на другом теплоносителе может

14* =

о N Д71, „ 2*—*—-*А,„

О. у

существенно изменить результаты сравнения, в том числе и на противоположные по знаку.

В случае справедливости аналогии Рейнольдса, при условии, что экспериментальные данные обработаны при помощи характерного размера, равного эквивалентному диаметру, эффективный параметр Кег[г выражается следующим образом:

1

Рг»

*Яе3

(9)

В том случае, если гидравлическое сопротивление и теплообмен описываются степенными критериальными зависимостями вида Ыи = В Яе", ^ = О Яе™, можно получить зависимость Ии^ - А в явном виде:

= В*

ш-п+3 * 'в р*п

[о / ]

*Яе.

V

(10)

В тех случаях, когда сопротивлением теплоотдаче ни одной из поверхностей теплопередающих стенок пренебречь нельзя, можно проводить сравнение теплогидравлической эффективности теплопередающих стенок при помощи зависимостей между эффективными параметрами, полученными для каждой из теплопередающих поверхностей в отдельности. Так, для двух типов теплопередающих стенок А и В, для каждой из теплопередающих поверхностей которых известны зависимости между эффективными параметрами

= №<,(гл№ечг)' Ки.т = ) >

ЛЧда = Ыи1ЛВг = Миф/г(Кег1Г ) ,

пренебрегая термическим сопротивлением стенок, можно получить выражение для отношения площадей теплопередающих поверхностей:

^ Чл)'

Рассмотрены связи разработанного метода эффективных параметров с другими методами. Показано, что из выражений метода эффективных параметров, как следствие, можно вывести основные выражения других методов сравнения теплогидравлической

эффективности, в том числе, основные выражения методов, в которых условием сравнения является одновременное равенство тепловых мощностей, мощностей на прокачку и расходов теплоносителей, и основные выражения методов, в которых условием сравнения является равенство чисел Рейнольдса.

Д ..четвертой^ тлаведан анализ экспериментальных данных при помощи метода эффективных параметров, описание которого начинается с подхода к отбору форм теплопередающих поверхностей и экспериментальных данных, которые анализируются в последующих разделах диссертации при помощи метода эффективных параметров. При этом рассматриваются течения внутри труб и в межтрубном пространстве с гладкими круглыми, витыми и накатанными трубами, расположенными в пучках с шахматным и коридорным расположением труб, при их продольном и поперечном обтекании.

Рассмотрены течения внутри труб различной формы. При помощи общего подхода, позволяющего перейти к символике метода эффективных параметров, и экспериментальных критериальных уравнений как в степенном, так и в более точном, сложном виде, было проанализировано влияние различных конструктивных параметров на теплогидравлическую эффективность труб и проведено сравнение тнплогидравлической эффективности труб различной формы. В случае степенных критериальных уравнений были получены явные зависимости, связывающие эффективные параметры. Так, если для течения теплоносителя внутри круглых гладких труб справедливы формулы N11 = 0.023*Яе°8*Рг°4 и Я/г = 0.3164*Ле" 2', то им, согласно (10), соответствует следующая зависимость:

= 0.013 86* Рг"

а

ы

»Ие';

(12)

Явная зависимость (12) позволяют непосредственно судить о влиянии на теплогидравлическую эффективность внутреннего диаметра трубы Л. Расчеты по более точным сложным критериальным зависимостям в параметрическом виде для гладких круглых труб, витых труб и труб с накаткой дали сходные результаты, согласно которым с уменьшением диаметра исходной круглой трубы геплогидравлическая эффективность труб увеличивается. Для витых труб проанализирована зависимость теплогидравлической эффективности от отношения шага закрутки к максимальному размеру внутреннего профиля трубы 5 и от отношения максимального размера внутреннего профиля трубы к внутреннему диаметру исходной трубы Ь„. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров ¿„ = 1.23+1.4 и ¿ = 6.2 + 12.2 теплогидравлическая эффективность витых труб слабо зависит от Ь0 и убывает с ростом -у.

Для накатанных труб проанализирована зависимость теплогидравлической эффективности от отношения наименьшего диаметра проходного сечения к внутреннему диаметру исходной трубы а, и от отношения шага накатки к внутреннему диаметру исходной трубы а2. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров а, = 0.9 -г- 0.97 и а2 = 0.5 + 2 имеется оптимум в области а, = 0.95 и а2 = 0.5. На рис. 4 представлены зависимости эффективного параметра Ш,л от эффективного параметра Яе^ при течении воздуха

внутри гладких круглых, витых и накатанных труб, которые были отобраны как наиболее эффективные из числа рассмотренных. Видно, что во всем диапазоне изменения Ке,ж витые трубы овального профиля

эффективнее гладких круглых примерно на 30-40%, а трубы с накаткой эффективнее гладких круглых примерно на 80-100%. На рис. 5 дано сравнение теплогидравлической эффективности труб, исследованных в экспериментах при помощи теплообменника типа "труба в трубе", описанных во второй главе. При этом бьи сделан пересчет экспериментальных данных, полученных на воде, на воздух. Видно, что новые экспериментальные данные, обработанные по методу эффективных параметров, дают результаты, качественно схожие с результатами обработки данных других авторов.

Рассмотрены течения в межтрубном пространстве пучков труб различной формы при 1« продольном обтекании теплоносителем. При помоши общего подхода, позволяющего перейти к символике метода эффективных параметров, и экспериментальных критериальных уравнений как в степенном, так и в более точном, сложном виде, было проанализировано влияние различных конструктивных параметров на теплогидравлическую эффективность труб и проведено сравнение теплогидравлической пучков труб различной формы. В случае степенных критериальных уравнений были получены явные зависимости, связывающие эффективные параметры. Так, если для течения теплоносителя вдоль труб в межтрубном пространстве гладких круглых труб, расположенных в шахматном порядке, справедливы формулы

I

Ыи = (0.03 2а 0 - 0.0144)* Яе0' *Рг3,

Л/г = Л>0*[о.57 + 0.18*(йг0 -1) + 0.53*[1-ехр[-б0]]],

В0 = 0.58 + 9.2*(а0 -1) = А>0*[о.59 + 0.19*(я0 -1)+0.52*[1-ехр[-10*(а(| -1)]]], 1/г0 =0.3164*Кеч,г',

то, согласно (10), им соответствует следующая зависимость:

с.=-

Ыи,м =С0* Рг"70'-

2.832

,Кеизо%

(13)

2^3

(0.032а0 -0.0144)3

0.57 + 0.18*(йг0 - 1) + 0.53*[1-ехр(-Л„)]

Явная зависимость (13) позволяют непосредственно судить о влиянии на теплогидравлическую эффективность пучка труб наружного диаметра трубы с!д и относительного шага расположения труб в пучке о0. Расчеты по более точным сложным критериальным зависимостям в параметрическом виде дали сходные результаты, согласно которым с уменьшением наружного диаметра трубы теплогидравлическая эффективность труб увеличивается, а с увеличением относительного шага асимптотически убывает, причем при а0 > 1.2 отличия в эффективности становятся незначительными. Несмотря на то, что эффективность шахматных трубных пучков несколько выше, чем коридорных, это отличие незначительно. Для витых труб проанализирована зависимость теплогидравлической эффективности от модифицированного числа Фруда /<>„, характеризующего закрутку потока, и от отношения максимального размера внутреннего профиля трубы к внутреннему диаметру исходной трубы Ьа. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров = 63.6 -н 1052

теплогидравлическая эффективность витых труб увеличивается с ростом степени закрутки (с уменьшением /г„). Для накатанных труб, • расположенных в шахматном порядке, проанализирована зависимость теплогидравлической эффективности от отношения глубины накатки к эквивалентному диаметру канала а^ и от отношения шага накатки к эквивалентному диаметру канала я4. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров а3 = 0.02 4- 0.1 и а4 = 0.25+1.75 имеется оптимум при а, = 0.06 и а4 = 0.25. На рис. 6 представлены зависимости эффективного параметра Ыи^ от эффективного параметра при

течении воздуха вдоль труб в межтрубном пространстве пучков гладких круглых, витых и накатанных труб, которые были отобраны как наиболее эффективные из числа рассмотренных. Видно, что во всем диапазоне изменения Ке,м витые трубы овального профиля эффективнее

гладких круглых примерно на 100-110%, а трубы с накаткой эффективнее гладких круглых примерно на 60-70%.

Рассмотрены течения в межтрубном пространстве пучков труб различной формы при их поперечном обтекании теплоносителем. При помощи общего подхода, позволяющего перейти к символике метода

эффективных параметров, и экспериментальных критериальных уравнений как в степенном, так и в более точном, сложном виде, было проанализировано влияние различных конструктивных параметров на теплогидравлическую эффективность труб и проведено сравнение теплогидравлической эффективности пучков груб различной формы. В случае степенных критериальных уравнений были получены явные зависимости, связывающие эффективные параметры. Так, если для течения теплоносителя поперек груб в межтрубном пространстве гладких круглых труб, расположенных в шахматном порядке, справедливы формулы Ыи = 0.35*я!°-2*Яе06*Рг0К, д, = 5.2*(а0 - Яе^", где а, отношение поперечного к продольному шагу расположения труб в пучке, то, согласно (10), им соответствует следующая зависимость:

Ати,в = 0.1 174*й°256' *(а0 - I)4

*яе:;53'*Рг°

(14)

Явная зависимость (14) позволяет непосредственно судить о влиянии на теплогидравлическую эффективность наружного диаметра трубы г/0 и шага расположения труб в пучке а0. Расчеты по более точным сложным критериальным зависимостям в параметрическом виде для гладких круглых труб, витых труб и труб с накаткой дали сходные результаты, согласно которым с уменьшением диаметра исходной круглой трубы уменьшением шага расположения труб в пучке геплогидравлическая эффективность труб увеличивается. Показано, что эффективность шахматных пучков несколько выше, чем коридорных. Для витых труб проанализирована зависимость теплогидравлической эффективности от отношения шага закрутки к максимальному размеру внешнего профиля трубы 5 и от отношения максимального размера внешнего профиля трубы к наружному диаметру исходной трубы Ь0. Показано, что в исследованном диапазоне изменения параметров эффективность витых труб с уменьшением степени закрутки (увеличением я) увеличивается. Рассмотрены пучки, в которых витые трубы расположены в порядке, обеспечивающем как постоянную, так и переменную ширину щели между трубами и показано, что они слабо отличаются друг от друга по теплогидравлической эффективности..

Дан анализ результатов сравнения теплогидравлической эффективности геометрически неподобных теплопередающих поверхностей: при течении теплоносителя внутри труб, в межтрубном пространстве при продольном и поперечном обтекании гладких круглых труб, овальных витых труб и круглых труб с накаткой. На рис. 7 представлена зависимости эффективного параметра Ми,м от эффективного параметра Яе<(7- при течении воздуха внутри гладких

круглых труб (1), в межтрубном пространстве вдоль (2) и поперек (3) пучков гладких круглых труб. Видно, что эффективность пучков гладких труб при их поперечном обтекании выше их эффективности при продольном обтекании только в области малых эффективных чисел Рейнольдса (при Re(J < 0.5*10'), а в области больших чисел Рейнольдса преимуществом обладают пучки труб при их продольном обтекании. Сравнение теплогидравлической эффективности способов интенсификации теплообмена путем закрутки потока и путем кольцевой накатки показало, что каждый из них имеет свою нишу. Так, способ интенсификации путем закрутки потока имеет преимущество при продольном обтекании пучков витых труб во всем рассмотренном диапазоне изменения эффективных чисел Re,# и при течении внутри витых труб в области малых эффективных чисел Re,# , соответствующих

переходным физическим числам Рейнольдса. Способ интенсификации теплообмена путем кольцевой накатки круглых труб имеет преимущество при течении теплоносителя внутри труб в турбулентной области течения. Поэтому большой интерес для одновременной интенсификации теплообмена внутри труб и в межтрубном пространстве представляет сочетание этих методов. Сравнение теплогидравлической эффективности, проведенное предложенным в диссертации методом, позволило установить пределы по числам Rel(r , в которых каждая из рассмотренных поверхностей имеет преимущество по эффективности над другой поверхностью. Практические рекомендации данной работы по выбору наиболее эффективных теплопередающих поверхностей хорошо согласуются с рекомендациями работ Э.К. Калинина, Г.А. Дрейцера и Б. В. Дзюбенко.

III. ВЫВОДЫ

1. Выполнено экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик при течении воды с числами Re = 2*103-И О4 в каналах с искусственной турбулизацией потока методом теплообменника типа "труба в трубе", результаты которого были обобщены новыми критериальными зависимостями. Эти зависимости были использованы при анализе и сравнении теплогидравлической эффективности каналов с различными интенсификаторами теплообмена, а также с гладкой поверхностью.

2. Разработан новый обобщающий метод сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей,

согласно которому из условий сравнения, заключающихся в

одновременном равенстве тепловых мощностей, мощностей на прокачку и расходов теплоносителей, при ряде допущений, выводятся выражения

для эффективных чисел Рейнольдса Ке€/Г, которые определяют заданные условия сравнения, и эффективные числа Нуссельта Ыи,ж, которые

определяют значения критериев качества - площадей теплопередающих поверхностей Б или объемов теплообменника V. Метод эффективных параметров позволяет проводить оценки теплопередающих поверхностей при помощи зависимостей Ми^ = Ми4} (Яее/Г), приведенных к одному характерному геометрическому размеру и определяемых по известным экспериментальным зависимостям для теплоотдачи и гидравлического сопротивления, одновременно сравнивая между собой трубные пучки произвольных конфигураций и не накладывая ограничений на форму представления экспериментальных данных. Выведены выражения, которые позволяют на основании метода эффективных параметров и анализа погрешностей этого метода, учитывающих погрешности зависимостей Ш =/(Яе,...),^ = <р(Ке,...), указать области изменения эффективного параметра Г<е,?/, в которых одна форма теплопередающей поверхности эффективнее другой.

3. Показано, что эффективное число Ке,ж можно выражать не

только при помощи экспериментальных критериальных уравнений в общем виде, но и непосредственно через значения величин, определяющих условия сравнения. При этом обнаружено влияние теплофизических свойств теплоносителя на результаты сравнения теплопередающих поверхностей, которое выражается в том, что сравнение тех же самых теплопередающих поверхностей на другом теплоносителе, при тех же самых значениях режимных параметров {,, может привести к изменению количественных и качественных результатов сравнения.

4. Установлено, что в случае выполнения аналогии Рейнольдса при равенстве характерных размеров с1, из равенства чисел Рейнольдса Яе однозначно следует равенство эффективных чисел Рейнольдса й.е<# и

выполнение условий сравнения, принятых в методе эффективных параметров. Получено теоретическое подтверждение хорошо известного факта, который заключается в том, что теплогидравлическая эффективность теплопередающих поверхностей возрастает с уменьшением характерного размера течения и с .увеличением эффективных чисел Рейнольдса Яе,#.

5. Сравнение между собой теплогидравлических характеристик течений внутри круглых, витых (при ¿„ = 1.23 и 5=6.2) и накатанных труб (а, =0.95 и а2 = 0.5) показало, что наиболее эффективными в турбулентной области течения являются трубы с накаткой, а витые

трубы овального профиля являются более эффективными в переходной по числам Яе области течения.

6. Сравнение между собой теплогидравлических характеристик течений в пучках при продольном обтекании теплоносителем круглых, витых (при Ргт = 63.6) и накатанных труб (а, = 0.06 и а4 = 0.25) показало, что пучки витых труб имеют преимущество перед остальными и на 100 -110% эффективнее пучков гладких круглых труб, и пучки накатанных труб на 60-70% эффективнее пучков гладких круглых труб.

7. Полученные результаты исследования, сделанные выводы и рекомендации были использованы при разработке проектов ядерной энергодвигательной установки ЯЭДУ, а также ТА систем охлаждения выхлопных газов стендов для испытания прямоточных воздушно -реактивных двигателей. Разработанный метод сравнения теплогидравлической эффективности ТА и полученные критериальные зависимости могут быть использованы при проектировании ТА различного назначения, применяемых в энергетике, авиационно -космической и других областях техники.

Результаты диссертации отраженыв следующих публикациях:

1. Якименко Р. И. Способ оценки теплогидравлической эффективности трубных пучков. Отчет ГОНТИ-8, 1984.

2. Якименко Р. И. Относительный метод оценки теплогидравлической эффективности теплообменных каналов. РК техника, серия IV, выпуск 3 (88), 1985.

3. Dzyubenko B.V., Dreitser G.A., Yakimenko R.I. Methodics of Optimum Configuration Choicc for Heat Transfer Surfaces of Space Heat Exchangers. Report for the First International Conference on Aerospace Heat Exchanger Technology. Palo Alto, California, USA, 1993.

4. Dzyubenko B.V., Dreitser G.A., Yakimenko R.l. The Methods of Effective Heat Transfer Surfaces Choice for Heat Exchangers. Proceedings of International Symposium on New Developments in Heat Exchangers. Lisbon, Portugal, September 6-10, 1993, Paper #5.2, 8p.

5. Дзюбенко Б.В., Парамонов H.B., Кравчик Т.Н., Якименко Р.И. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы. Отчет МАЛ по гранту № Т-17, 1994.

6. Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Якименко Р.И Интенсификация теплообмена в каналах с искусственной турбулизацией потока. Труды первой Российской национальной • конференции по теплообмену, т.VIII Интенсификация теплообмена. М. МЭИ, 1994, ст. 64-69.

10 п 12 13 14 15

Рис. 1. Схема экспериментальной установки и системы измерений: 1 - экспериментальный модуль; 2 - турбинный датчик расхода ДР6-3; 3, 9 - дроссельный кран; 4, 6 - цифровой вольтметр Щ68000; 5 - образцовое сопротивление; 7 - коммутатор; 8 - сосуды Дьюара; 10 - турбинный датчик расхода ДР10; 11 - электрический нагреватель; 12 - датчик перепада давления Сапфир-22ДД; 13 - блок питания; 14 - коммутатор; 15 - частотомер 4-34.

/,<5 2 5 4 6 в {0" Не Рис. 2. Экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению и теплообмену при течении воды внутри витых труб: 1 - закон Блазиуса; 2 - закон Гагена - Пуазейля; 3...6 - данные по теплообмену для круглой гладкой трубы, витой гладкой трубы, витой трубы с винтовой накаткой и витой трубы с кольцевой накаткой, соответственно; 1...Э - данные по коэффициенту гидравлического сопротивления для витой гладкой трубы, витой трубы с винтовой накаткой и витой трубы с кольцевой накаткой, соответственно.

Рис. 3. Экспериментальные данные по гидравлическом} сопротивлению и теплообмену при течении воды внутри круглых труб: 1 - закон Блазиуса; 2...4 - данные по теплообмену для круглой гладкок трубы, круглой трубы с винтовой накаткой и круглой трубы с кольцевой накаткой, соответственно; 5, 6 - данные по коэффициент) гидравлического сопротивления для круглых труб с винтовой накаткой и круглых труб с кольцевой накаткой, соответственно.

Рис. 4. Зависимости Хис(Т, от 11сс(Г при течении воздуха внутри труб разной формы, с накаткой (1), овальных витых (2) и исходных круглых (3).

0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Рис. 5. Зависимости Мис(т, от К.есд* при течении воздуха внутри труб по данным экспериментальных исследований, выполненных при помощи теплообменника типа "труба в трубе", для труб разной формы: гладких витых (1), витых с винтовой накаткой (2), витых с кольцевой накаткой (3), гладких круглых (4), круглых с винтовой накаткой (5) и круглых с кольцевой накаткой (6).

Рис. 6. Сравнение зависимостей 1Чис(г, от РчХс(г для продольно обтекаемых воздухом пучков труб с накаткой (1) при а0=1.23, а3=0.06, а4=0.5, овальных витых труб (2) при Ь0=1.23 и Ргт=63.6 и гладких круглых труб (3) при ао=1.23, расположенных в шахматном порядке.

Рис. 7. Сравнение зависимостей Ыис(п от 11ес(Т при течении воздуха внутри гладких круглых труб (1), в межтрубном пространстве вдоль (2) и поперек (3) гладких круглых труб, расположенных в шахматном порядке с ао=1.23.