автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Измерение локальных тепловых и аэродинамических характеристик поперечно-обтекаемых пучков оребренных труб с наклонными ребрами

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

КАРВАХАЛ МАРИСКАЛ Игнасио

ИЗМЕРЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОПЕРЕЧНО-ОБТЕКАЕМЫХ ПУЧКОВ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ С НАКЛОННЫМИ РЕБРАМИ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор КАЗАНДЖАН Б.И.

Научный консультант кандидат технических наук ПРОНИН В.А.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..........................................3

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ... 7

1.1. Обзор методик сопоставления теплообменных поверхностей............7

1.2. Методы интенсификации теплообмена пучков оребренных труб......12

1.3. Предмет и задачи исследования.............................................................26

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.......................................30

2.1. Экспериментальное исследование локальной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ребристых систем с упругими гибкими круглыми ребрами...................................................................31

2.2. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик одиночной оребренной трубы с наклонными ребрами...............42

2.3. Описание экспериментальной установки..............................................48

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.........................................................53

3.1. Результаты исследования локальной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ребристых систем с упругими гибкими круглыми ребрами..................................................................................53

3.2. Результаты исследования аэродинамических характеристик одиночной оребренной трубы с наклонными ребрами.......................89

3.3. Анализ энергетической эффективности.................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................111

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................112

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................118

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Кх, Кд, К}, - показатели энергетической эффективности; F - поверхность теплообмена, м2; (2 - тепловой поток, Вт; N - мощность на прокачку теплоносителя, Вт; V - объём, занимаемый поверхностью теплообмена, м3; ¿7, 5*2 - поперечный и продольный шаги пучка, м; й, Ь - диаметр и длина несущей трубы, м; у0 - угол наклона ребра, град.;

I, к, В - параметры оребрения: шаг, высота, наружный диаметр ребер, м; ф° - угол отсчета от лобовой критической точки цилиндра, град.; © - скорость набегающего потока, м/с;

а - коэффициент локальной и средней теплоотдачи соответственно,

Вт/м-К;

р - плотность воздуха, кг/м3;

О - расход воздуха, кг/с;

Ар - перепад давления, Па;

А? - перепад температуры, К;

р - (Р„-Рф)/(0.5-р-со2) - коэффициент давления;

Р0 - давление перед ребристой трубой, Па;

Рф - местное давление на поверхности ребра, несущей трубы, Па;

Ей = До/р-со2 - число Эйлера;

Ие = ©-¿//v - число Рейнольдса;

№ = а-с1/Х - число Нуссельта;

д - плотность теплового потока;

X - коэффициент теплопроводности;

а = 5"/ М - относительный поперечный шаг труб пучка;

Ъ = 82/с1 - относительный продольный шаг труб пучка

ВВЕДЕНИЕ

В числе многих задач, решение которых определяет развитие и совершенствование новой техники, немаловажное значение имеет и теплообмен-ная аппаратура, весовые и габаритные показатели которой часто предопределяют параметры энергетических и технологических комплексов.

Создание эффективных, надежно работающих теплообменных устройств позволит повысить единичную мощность и к.п.д. энергетического оборудования, полнее использовать вторичные тепловые ресурсы котельных и парогазовых установок, энергетических и приводных Г.Т.У., уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу и т.д.

В многоплановом назначении теплообменных устройств основное место занимают рекуперативные теплообменники, тепло в которых передается через разделяющую теплоносители стенку.

Трубные пучки являются наиболее распространенными теплообмен-ными поверхностями. Высокие прочностные свойства, технологичность изготовления, хорошие теплотехнические характеристики, удобства компоновки - все эти качества обеспечили трубным пучкам преимущества перед другими поверхностями нагрева. В установках с повышенными давлениями пучки из круглых труб имеют бесспорный приоритет. Оребренные пучки обладают дополнительными достоинствами, которые обусловливают компактность и высокую приведенную интенсивность теплообмена. Ребристые поверхности внедряются с целью повышения теплообменной способности и коэффициента полезного действия рекуперативных теплообменников, особенно при наружном их обтекании газами.

Энергетические показатели ребристых поверхностей зависят от местных теплоаэродинамических характеристик в межреберном и межтрубном пространствах.

Повышение энергетической эффективности поперечнообтекаемых оребренных пучков труб неразрывно связано с повышением компактности

теплообменной поверхности. Супертесные геометрические параметры шагов труб пучка (Эх х 82) и оребрения (высота ребер - Ъ, шаг ребер -1:, толщина ребер - 8), конечно, являются залогом высокой энергетической эффективности. Однако простое развитие поверхности теплообмена позволяет увеличивать тепловой поток за счет поверхности, а не интенсивности теплоотдачи, что не всегда повышает энергетическую эффективность теплообменной поверхности. Кроме того, такие поверхности теплообмена имеют ограничения по технологии изготовления.

Многочисленные модификации геометрий оребрения, ведущие к повышению интенсивности теплоотдачи, основаны или на прерывании (разрушении) пограничного слоя для уменьшения его толщины (рассеченные, перфорированные ребра), или на искривлении межреберных каналов для формирования отрыва и присоединения пограничного слоя, то есть на организации крупномасштабного вихреобразования. В любом случае небольшое увеличение интенсивности теплоотдачи компенсирует увеличение гидравлического сопротивления поверхности теплообмена, так как скорость потока может быть уменьшена, а мощность на прокачку теплоносителя изменяется пропорционально почти кубу скорости потока.

В связи с этим поиск простых способов повышения энергетической эффективности ребристых систем с обычными параметрами оребрения (оребренные трубы экономайзера котла, пластинчато-трубные поверхности, теплообменные аппараты воздушного охлаждения и т.п.) остается актуальным.

Предлагаемый способ основан на воздействие на крупномасштабную вихревую структуру течения в межреберных каналах путем наклона всей плоскости ребра к поверхности трубы.

Наклон ребра способствует возникновению крупномасштабного вихреобразования. Следовательно, структура течения в межреберном пространстве существенно изменится по сравнению с оребренной трубой с обычными прямыми ребрами. При этом за счет ускорения потока в боковых областях и

повышенной турбулизации потока в кормовой части ребра, увеличивается интенсивность теплоотдачи. Кроме того, повышается компактность пучка оребренных труб, так как при наклоне ребер можно уменьшить межтрубные шаги Si х S2 или увеличить высоту ребра.

При различных углах наклона рёбер масштабы вихреобразования будут изменяться, могут существовать «энергетически выгодные» углы наклона, которые наряду с обычными параметрами оребрения влияют на формирование течения и теплообмена, а также на энергетическую эффективность поверхности. Поэтому основная цель данной работы - это исследование влияния угла наклона ребер у° на энергетическую эффективность пучков оребренных труб.

В настоящей работе проведено экспериментальное исследование теплоотдачи цилиндрической поверхности, аэродинамического сопротивления шести ребристых систем с различными углами наклона у° = 0°-г55° круглых (конических) рёбер. Проведено измерение распределения интенсивности теплоотдачи а по высоте наклонного ребра (у0 = 20°) для внутренней (впадина) и наружной поверхностей; определен средний коэффициент теплоотдачи по поверхности наклонного ребра.

Также в настоящей работе представлены результаты измерения распределения статических давлений по высоте наклонного ребра (у0 = 45°) для внутренней (впадина), наружной и цилиндрической поверхностей; определены коэффициенты сопротивления давления при поперечном обтекании одиночной ребристой трубы воздухом (Red = (6 -к57)-103).

Для сравнения по энергетической эффективности поверхности теплообмена с наклонными ребрами с поверхностью с обычными прямыми ребрами, в работе проведен анализ по методике "при прочих равных условиях". Выявлено повышение энергетической эффективности до 40% при угле наклона ребер у° > 20°.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Решение проблемы повышения энергетической эффективности ореб-ренных поверхностей теплообмена путем изменения формы ребер неразрывно связано, во-первых, с изучением характера и структуры течения в межреберном пространстве, во-вторых, с анализом распределения интенсивности теплоотдачи на поверхностях ребер и несущей трубы и, в-третьих, с изучением тепловых и аэродинамических характеристик пучков оребренных труб с различной формой ребер.

При рассмотрении процессов теплоотдачи и гидравлического сопротивления для пучка оребренных труб с различной формой ребер можно анализировать влияние формы ребер на теплоаэродинамические характеристики элементов пучка и на энергетическую эффективность поверхности теплообмена.

Анализ энергетической эффективности теплообменных поверхностей неразрывно связан со сравнением теплообменных поверхностей.

1Л. Обзор методик сопоставления теплообменных поверхностей

Для сопоставления теплообменных поверхностей по энергетической эффективности существуют различные методики. В работе [33] дан подробный обзор методик сопоставления, из которого ясно, что в зависимости от поставленной задачи необходимо модифицировать и методику. Кроме этого очевидно, что следует разделять сопоставление теплообменных аппаратов, теплообменных поверхностей и элементов теплообменных поверхностей.

Для теплообменного аппарата в целом количество переменных, определяющих его эффективность, довольно велико. Например, для кожухо-трубчатого теплообменника большую роль играет способ размещения трубного пучка, конструкция перегородок, а также входных и выходных устройств. В частности для пучка оребренных труб существует большое количе-

ство факторов, влияющих на его эффективность (шаг ребер, высота ребра, материал ребер, способ крепления ребер к несущей трубе, толщина ребра по высоте, способ размещения труб в пучке, расстояние между трубами).

Основным элементом оребренных поверхностей теплообмена является оребренная труба. Кроме того, можно рассмотривать и элементы оребренной трубы - ребро, несущая труба.

В работе [36] отмечается, что в основе всех многочисленных методик сравнительной оценки эффективности поверхностей теплообмена заложены методические основы, предложенные Н.В. Кирпичевым или A.A. Гухманом [21].

Кирпичев Н.В. в работе [39] ввел энергетический коэффициент Е = Q/N для оценки тепловых и гидродинамических качеств поверхности. Однако очевидно, что Е не является достаточно полной характеристикой теплооб-менной поверхности, но по значению Е в явном виде можно проследить зависимость энергетической эффективности от скорости.

Методический подход Кирпичева Н.В. получил довольно широкое развитие при решении многих задач по сопоставлению поверхностей теплообмена [10, 11, 14, 45, 69, 74]. Наложение ряда условий при сопоставлении поверхностей по Е приводит к тому, что метод Кирпичева Н.В. трансформируется в метод Гухмана A.A. [21]. В связи с этим становится очевидным, что критерий Е не противоречит остальным характеристикам поверхностей теплообмена. Он является составной частью в ряду различных характеристик.

Существующие методики сопоставления теплообменных поверхностей можно разделить на три группы:

1. Сопоставление производится при произвольных числах Re. В этом случае получают зависимость Е =f(Re) для различных поверхностей. В этой группе возможны разные варианты, целесообразность которых связана с простотой и наглядностью сопоставления.

2. Сопоставление производится при сопряженных числах Re - принцип "при прочих равных" [21, 37]. В этом случае задается число Re¡ для од-нои поверхности, а для другой Re2 определяется из условии поставленной задачи. При этом возможно три варианта сопоставления: 1 - сопоставление по тепловым потокам при одинаковых мощностях и площадях; 2 - сопоставление по мощностям при одинаковых тепловых потоках и площадях; 3 - сопоставление площадей теплообменных поверхностей при одинаковых тепловых потоках и мощностях.

В этой группе произвольно задается только Re¡.

3. Сопоставление производится при оптимальных для данной поверхности (для данного расположения труб в пучке) значениях скорости и числа

опт-

Для всех групп характерно, что теплообменную поверхность обычно характеризуют с помощью четырех величин [26]: 1 - тепловой поток Q, Вт; 2

- мощность на прокачку теплоносителя N, Вт; 3 - площадь теплообменной поверхности F, м2; 4 - объем теплообменной поверхности V, м3.

Если перейти к удельным характеристикам, то получим q = Q/F, Вт/м

- плотность теплового потока, п = N/F, Вт/м2 - удельная мощность, расхо-

2 3

дуемая на прокачку теплоносителя; V/F- 1/(3, где |3, м /м - компактность теплообменной поверхности.

Компактность теплообменной поверхности р = F/V, м /м связана с ее габаритами. Если под габаритами понимать предельные внешние очертания теплообменной поверхности, то увеличение компактности однозначно связано с уменьшением габаритов. В [17] получено выражение для компактности гладкотрубного пучка (шахматного и коридорного), которое можно применять также и для пучков других компоновок труб с известными значениями средних относительных шагов труб, поперечных а = а^ и продольных b = bcp

a-b-d

Аналогичное выражение (3 можно получить и для пучков оребренных

труб.

. 8-я-<1 тс(Б2 -<12)

--+ —--

Р =-1-21-

а-Ь

Плотность теплового потока ц это количество теплоты (), приходящее на единицу площади теплообменной поверхности К Ее можно определить

через коэффициент теплоотдачи: я = а Г А1: = а • М, и если температурный напор задан и постоянен, то теплообменную поверхность можно характеризовать значением интенсивности теплоотдачи, т.е. величиной а.

Удельная мощность, расходуемая на прокачку теплоносителя п, т.е. мощность И, расходуемая на единицу площади теплообменной поверхности ^ определяется аэродинамическим сопротивлением пучка труб.

Удельная мощность п характеризует затраты энергии для организации работы теплообменной поверхности, полезным результатом которой является тепловой поток О,

Зависимость значения Е от скорости потока делает этот критерий неоднозначным. Это является противоречием первой группы методик сопоставления по Е при произвольных числах Рейнольдса. Еще одно противоречие методик этой группы - увеличение Е при уменьшении скорости теплоносителя. Такая зависимость может привести к неверному представлению о выгоде малых скоростей теплоносителя. Но при этом будет больше и поверхность теплообмена, и как следствие - капитальные затраты на нее, что экономически невыгодно.

Преодолеть неоднозначность в оценке энергетической эффективности по коэффициенту Е позволяет методика из второй группы - по принципу "при прочих равных". Впервые этот принцип научно обоснован в [21].

В работе [37] предложен графический способ сравнительной оценки эффективности, являющийся более простой и наглядной интерпретацией метода, предложенного в [21].

Решается ряд важных практических задач:

1. Сопоставление поверхностей по тепловым потокам при одинаковых мощностях и площадях;

2. Сопоставление поверхностей по мощности при одинаковых тепловых потоках и площадях;

3. Сопоставление площадей теплообменных поверхностей при одинаковых тепловых потоках и мощностях.

В работе [37] предлагается достаточно простой графический способ сопоставления в перечисленных случаях. Автор [37] исходит из графического представления St ~АДе) и = ф(У?е). Для более конкретного анализа предложенного метода будем исходить из известного уравнения Ыи = с -Яет для трубных пучков и получим выражение для Кд для случая

Кн=—— = 1; Кр-^—=1

N,,0 Рт=о

о

Для нахождения К(3 = —— примем, что температурный режим одина-

0т=о

ков, а также используется один и тот же теплоноситель, материал ребер и труб одинаковый, отсутствует термическое сопротивление на месте крепления ребра к несущей трубе, параметры и геометрия оребрения одинаковые. То есть будем анализировать влияние угла наклона ребер на �