автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Расчетное и опытное моделирование теплоотдачи и гидросопротивления дискретно шероховатых каналов теплообменного оборудования

V I !.) V

4 С пит

5 1''' КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ С.М.КИРОВА

На правах рукописи УДК 536.24 + 532.5

ОЛИМПИЕВ ВАДИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАСЧЕТНОЕ И ОПЫТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И ГИДРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ДИСКРЕТНО ШЕРОХОВАТЫХ КАНАЛОВ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

КАЗАНЬ - 1995

Работа выполнена в Казанском филиале Московского ордена Ленина к ордена Октябрьской Революции технического университета (МЭИ), Казанском государственном техническом университете имени А.Н. Туполева (КАИ)

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Дрейцер Г.А.

доктор технических наук, профессор Фафурин А.В.

доктор технических наук, профессор Щукин А.В.

Ведущая организация - КОКБ "Союз"

Защите состоится 1995 г. в часов на засе-

дании специализированного совета Д.063-37.02 в Казанском ордена Трудового Красного Знамени технологическом университете им. С.М.Кирова по адресу: 420015, г.Казань, ул.К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского ордена Трудового Красного Знамени технологического университета им. С.М.Кирова

Автореферат разослан 3* 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

Ф.М. Гумеров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа направлена на решение технической, экономической и экологи-ской народнохозяйственной задачи интенсификации теплообменного обо-дования в различных областях промышленности.

Актуальность проблемы. Современное развитие энергетики характери-ется значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов иродных ресурсов, а также постоянно увеличивающимися трудностями ох-ны окружающей среды от воздействия ТЭС, АЭС и промышленных предприя-й. Энергосбережение, экономия топлива и др.природных ресурсов, веерное совершенствование энерготехнологии являются приоритетными задами развития народного хозяйства. В перспективных теплоэнергетических тановках: базисных ПТУ, пиковых ПТУ и ГТУ; ПТУ; в ядерных энергоус-новках (ЯЭУ); в установках, основанных на альтернативных источниках ергии, теплообменное оборудование составляет преимущественно основ-га часть по габаритам, металлоемкости и функциональному значению и во огом определяет общие техникоэкономические показатели установки. В ■временных условиях и в перспективе один из главных путей повышения :ономичности энергоустановок - совершенствование теплообменного обо-дования, реализовать которое можно с помощью внедрения эффективных 'особов интенсификации теплообмена. Посредством интенсификации тепло-мена увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу по-рхности теплообмена, соответственно, уменьшаются массогабаритные по-затели теплообменника, достигается более выгодное соотношение между редаваемым количеством тепла и мощностью прокачивания тегоганосите-й. Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного ¡орудования улучшает общие характеристики энергоустановки.

Для промышленного использования наиболее перспективна интенсифика-;я теплообмена в каналах за счет искусственной дискретной шерохова->сти стенки в форме поперечных кольцевых или спиральных выступов.

Интенсификация теплообмена выделилась в отдельную специальную об-|Сть тепломассообмена. Теория интенсификации находится на начальном ■апе развития, что справедливо и для расчета процессов переноса в гскретно шероховатых каналах. Основа теплогидравлического расчета та-[х каналов - эмпирические соотношения, имеющие ограниченную область >именения. Однако существует дефицит даже этих опытных формул. Из-¡стные крайне малочисленные полувмпирические методы расчета теплоот-

дачи и трения в каналах с дискретными выступами при турбулентном теч' нии теплоносителя базируются преимущественно на аналогии Рейнольдса ее модификациях), содержат вспомогательную эмпирическую информацию позволяют определять теплоотдачу только по экспериментально найден» величине коэффициента сопротивления канала. Модели для численного ра чета турбулентного течения с отрывом и рециркуляцией в каналах с вы тупами пока несовершенны для инженерного применения.

Следовательно существует проблема: проектирование нового эффекта: ного интенсифицированного теплообменного оборудования и модернизация йствующего оборудования при условии использования дискретно шерохова' каналов не обеспечены прикладными методами теплогидравлического расч! Поэтому экспериментальные исследования теплообмена и гидродинамики т ния в дискретно шероховатых каналах, а также разработка моделей и ме1 дик для их теплогидравлического расчета (на что ориентирована настоя! работа) являются теоретически и практически актуальными.

Цель работы - комплексное экспериментальное и расчетно-теоретиче кое исследование теплообмена и трения в дискретно шероховатых канала: разработка универсальных моделей и методик тепогидравлического расч та дискретно шероховатых каналов, расчетное исследование промышленно: теплообменного оборудования с дискретно шероховатыми каналами, его о: тимизация и определение эффективности. В работе решались следующие к нкретные задачи.

1. Разработка методик экспериментальных исследований, опытны стендов и программ обработки опытных данных на ЭВМ. Выполнение експе рименталькых исследований, их обобщение и получение: новой информац по тонкой структуре турбулентного потока в канале с дискретными вист пами; опытных сведений о границах переходного течения и нестабильное процессов переноса в этом режиме; эмпирических соотношений для расче теплообмена и трения в переходном и ламинарном режимах.

2. Разработка моделей турбулентного течения в дискретно шерохов тых каналах (с поперечными и спиральными выступами) и соответствуют оперативных инженерных методик расчета теплоотдачи и трения, основан пых на интегральных методах теории пограничного слоя. Обосновани справедливости и диапазона применения моделей и методик расчета.

3- Разработка, в качестве технического приложения моделей, мето дик и ЭВМ-программ расчета теплоотдачи и трения в дискретно шерохова тых каналах реального внергооборудования: в плоском охлаждающем кана

турбинной лопатки ГТУ; в трубе конденсатора с кольцевыми и спиральными выступами; в кольцевом канале с поперечными выступами на одной и двух стенках; в продольно обтекаемом пучке твелов ядерного реактора (ЯР) с поперечными выступами на оболочке.

4. Разработка методик и ЭВМ-программ для теплогидравлического расчета и оптимизации промышленного енергооборудования с дискретно шероховатыми каналами (и с применением других способов интенсификации теплообмена) в условиях проектирования и модернизации: пароводоподогрева-теля системы горячего водоснабжения завода; аппаратов воздушного охлаждения (ABO) промышленных продуктов; ЯР, охлаждаемых однофазным теплоносителем (в том числе для модернизированного серийного ВВЭР-1000).

5. Выполнение расчетного исследования вышеуказанного промышленного серийного внергооборудования, модернизированного посредством применения дискретной шероховатости каналов, с целью поиска оптимального варианта параметров шероховатости и оборудования в целом, а также - сравнения эффективности оптимального варианта оборудования с гладкостен-ной серийной конструкцией. Формулировка рекомендаций для промышленного онергомашиностроения.

6. Разработка приближенных соотношений для оценки теплоотдачи поверхности выступов, гидросопротивления шероховатых каналов, теплоотдачи каналов с выступами в переходном режиме, а также формул для определения границ переходного течения.

7. Усовершенствование конструкции теплообменника с дискретно шероховатыми каналами.

Научная новизна. Предложены и расчетно-экспериментальным путем обоснованы новые модели и методики расчета теплообмена и трения турбулентного течения в каналах произвольного поперечного сечения с дискретными поперечными и спиральными выступами. Приведены методики расчета ряда конкретных вариантов конструкции каналов реального оборудования с дискретными выступами на стенках.

Посредством термоанемометрического исследования структуры потока газа в реальном канале с поперечными кольцевыми выступами получена новая информация по распределению осредненной и пульсационной скорости, интенсивности турбулентности, касательного напряжения трения (на стенке) и коэффициента сопротивления в ядре течения, слое шероховатости и во внутреннем пограничном слое. Расширено представление механизма действия выступов.

В неисследованном диапазоне режимов течения и параметров шерох< тости для переходного и ламинарного режимов течения газа и вязкой 5 кости в трубах с поперечными кольцевыми выступами получены новые 01 ные уравнения подобия для расчета теплообмена и сопротивления. Опр< лена область и амплитуда нестабильного теплообмена. Выяснен диап: офлективного технического использования шероховатых труб.

Экспериментально обнаружена возможность автоколебательного возм; 1шя потока выступами в трубе. Сформулированы условия возникновения а] резонансных колебаний течения, дана методика расчета соответствуй параметров выступов, трубы и потока.

Предложены формулы для определения границ переходного режима теч< пия в каналах с дискретными выступами.

Предложены формулы для приближенной оценки теплоотдачи выступов ] каналах и сопротивления каналов.

Показана конструктивная возможность регулирования теплопроизводи-тельности и гидросопротивления теплообменников с дискретно шероховат] ми каналами. Предложена рациональная форма выступов для интенсификац] теплообмена.

Предложены методики и программы теплогидравлического расчета и о] тимизации на ЭВМ промышленного оборудования с шероховатыми каналами пароводоподогревателя, АВО, ЯР. Выполнено расчетное исследование это: оборудования, доказана его высокая эффективность.

Практическая ценность работы заключается в возможности теплоги, равлического расчета и оптимизации перспективного (и модернизирована го) интенсифицированного теплообменного оборудования с дискретно шер< ховатыми каналами на этапе его проектирования с помощью разработанны: моделей, методик, ЭВМ-программ (и эмпирических уравнений подобия) : техническом диапазоне изменения параметров потока и шероховатост: стенки.

Результаты экспериментальных исследований и разработанные метода расчета целесообразны для практического применения во многих отрасл промышленности: энергетике, авиационной технике, химической технолог: судостроении и т.д.

Теоретические и опытные результаты работы использованы при моде низации теплообменного оборудования в ПО "Казаньбытхим" и в ПО "Тат нерго" (подтверждено документально).

Апробация работы. Основные теоретические и опытные результаты ра

Зоты опубликованы Б статьях автора в журналах "Теплоэнергетика", Известия вузов "Авиационная техника", отраслевых и межвузовских сборниках. Результаты работы докладывались на: 1-й Всесоюзной конференции ю "Математическому моделированию физико-химических процессов в энергетических установках" (Казань, 1991); Первом симпозиуме Татарстана по энергетике, окружающей среде и экономике (международный, Казань, 1992); Научной конференции студентов и преподавателей вузов ТССР (Казань, 1991); Республиканской научно-практической конференции "Пути по-зышения надежности и эффективности теплоснабжения промышленных предприятий" (Казань, 1989); Республиканской научнотехнической конференции "Повышение эффективности энергоснабжения промышленных предприятий" (Казань, 1990); Юбилейной научной конференции Казанского филиала МЭИ, тосвященной 25-летию КФ МЭИ (Казань, 1993); научно-технических конференциях Казанского филиала МЭИ (1980-1991 г.г.); научном семинаре кафедры ТОТ КАИ (1990, 1994); кафедре теплотехники МАИ (1994). Автором юлучено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (общим объемом 319 стр.), приложения (122 стр.), списка использованной литературы из 353 наименований и содержит: 41 рисунок, 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении анализом перспектив развития тепловой и ядерной энергетики обоснованы актуальность и необходимость широкого внедрения интенсификации теплообмена в теплообменном оборудовании для повышения экономической эффективности энергоустановок во всех отраслях промышленности.

В первой главе рассмотрено позитивное влияние интенсификации теплообмена на материалоемкость энергооборудования, эффективность и надежность его работы, экономию топлива и др.ресурсов, охрану окружающей среды. Показано, что интенсификация теплообмена служит мощным средством улучшения показателей теплообменников и энергоустановок в целом.

Выполнен обстоятельный обзор и анализ промышленно целесообразных способов интенсификации теплообмена в каналах при турбулентном, переходном и ламинарном течении теплоносителей. Обсуждены механизмы различных способов интенсификации, их эффективность, области технического

использования. Анализ способов интенсификации убеждает в значительных технико-экономических преимуществах дискретно шероховатых поверхностей теплообмена. Сравнение с гладкостенным каналом и между собой доказывает, что каналы с поперечными кольцевыми и спиральными выступами и канавками, с пружинными вставками, со сферическими выемками обладают высокими теплогидравлическими характеристиками, примерно одинаковыми е области турбулентного режима. Соответственно простоте технологии и малой стоимости производства предпочтительны каналы с кольцевыми и спиральными выступами.

Рассмотрена проблема интенсификации теплообмена в активной зоне (АЗ) и теплообменном оборудовании ЯР, охлаждаемых однофазными теплоносителями. Приведены обзор и анализ развития и применения экономически выгодных способов интенсификации в ядерной технике. Подтверждена эффективность использования кольцевых поперечных выступов на оболочке твэлов для снижения затрат электроэнергии на прокачивание теплоносителя через АЗ в ЯР, охлаждаемых газами и водой.

Подробно обсуждены математические модели и методы расчета турбулентного течения в шероховатых каналах, базирующиеся на двух принципиально различных подходах к описанию структуры потока.

При первом подходе поверхность стенки с поперечными дискретныш выступами (высотой 1г) заменяется некоторой условной эффективной гладкой поверхностью. Влияние выступов на поток рассматривается не как локальное (около отдельного выступа), а как осредненное вдоль потока (ъ стенки). На стенке в потоке выделяется слой шероховатости толщиной не более 21г, который подвержен значительному гидродинамическому воздействию выступов. Далее от стенки течение описывается приближением слоя с логарифмическим профилем скорости. Слой шероховатости и логарифмический слой объединяются пристенной зоной течения, над которой расположена внешняя часть течения, почти не подвергающаяся влиянию выступов здесь закон дефекта скорости универсален для гладкой и шероховато: стенок. Фактически моделью течения около шероховатой поверхности явля ется пограничный слой на гладкой стенке с измененными граничными уело виями на стенке, в котором профиль скорости деформируется под влияние выступов. Влияние выступов (три режима шероховатости) оценивается уни версалыюй высотой выступа )1+= Шж- динамическая скорость. Исс

ледования Никурадзе, Диппрея и Саберски, Уэбба и др. привели к опытнь, законам сопротивления и теплообмена в режиме полного проявления шерс

ховатости h+> 70

BihW^/y) = 3,75 + 2,5to(R/h) , (1)

G(h+;Prn) = B(h+) + [{e/8St)-1]/ ✓c/8 , (2)

где В; G - эмпирические функции переноса импульса и тепла на шероховатой стенке, зависящие от режима шероховатости, геометрии выступов [h, шага t и др.) и числа Pr; е, R = D/2 - коэффициент сопротивления и радиус канала. Законы (1), (2) - основа тегоюгидравлического расчета, эднако область действия их ограничена. Отечественные опытные уравнения тодобия вида

Nu = Г (Re; Pr; h/D; t/D)

имеют негативные качества, свойственные законам (1), (2). При первом (осредненном) подходе понятие осредненного течения не отражает реальную картину течения около стенки с выступами. Обтекание отдельного зыступа и течение между двумя соседними выступами не рассматриваются; фактическая детальная картина потока заменяется условной; важная информация о динамике потока отбрасывается. Это обусловило известное несовершенство моделей течения, основанных на первом подходе.

Второй (детальный) подход к моделированию течения на шероховатой зтенке предполагает подробное описание обтекания единичного выступа иероховатости и последующего развития течения до следующего выступа с :елью построения более продуктивной и реальной модели потока. Этот юдход использован и совершенствуется в работах Г.Шлихтинга; К.К.Федя-5вского с сотр.; Л.Г.Лойцянского; В.М.Вузника с сотр.; Льюиса; U.M.Танина; В.К. Мигая с сотр.; З.К.Калинина, Г.А.Дрейцера, С.А.Ярхо; Л.С.Фомичева; А.И.Леонтьева с сотр.; Ю.М.Вродова с сотр. и др. Однако методов расчета, базирующихся на втором подходе, весьма мало, они недостаточно разработаны, построены на аналогии переноса импульса и теп-па, для расчета теплоотдачи требуют опытного определения коэффициента сопротивления канала, это сильно ограничивает их практическое примене-ше. Конкретные существующие методы данного типа имеют дополнительные «достатки.

Численные методы расчета отрывных течений в каналах с выступами с томощью современных моделей турбулентности пока несовершенны. Обосно-зана поэтому необходимость дальнейшей разработки прикладных, простых, эперативных интегральных методов расчета течения в каналах с выступали, использующих преимущества второго подхода.

Сформулированы проблемы интенсификации теплообмена и конкретные задачи настоящей работы.

Во второй главе приведены методики экспериментального исследования структуры турбулентного потока газа (с помощью термоанемометра), теплоотдачи и сопротивления при течении газа и вязкой жидкости в трубах с кольцевыми выступами. Представлены описания трех соответствующих стендов, результаты их доводочных испытаний. Дана оценка погрешности измерений и достоверности результатов опытного исследования. Рассмотрены результаты исследования.

В отличие от известных малочисленных опытных данных по тонкой структуре потока в каналах с выступами, полученных, в основном, в каналах, отличающихся от реальных: с одиночными или относительно высокими выступами, в данной работе выполнено исследование установившегося,

повторяющегося между соседними выступами течения воздуха при Re = с

=1,31-10 в трубе D = 80 мм с технически интересными параметрами выступов h/D = 0,05; t/h= 16 (h = 4 мм; t = 64мм). Измерительная система стенда, содержащая термоанемометр постоянной температуры, коммутирующее устройство и ЭВМ типа IBM образовали измерительно-вычислительный комплекс, который обеспечивал измерения и расчет осредненной продольной скорости Wx; пульсационной продольной скорости W^2; интенсивности турбулентности Tu; касательного напряжения трения (на стенке) и коэффициента сопротивления. Многократные измерения проведены* в горле выступа и за точкой присоединения в ряде поперечных сечений потока между двумя выступами на расстояниях от стенки у = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 1; _1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 10; 20; 30; 40 мм. Ошибка измерения скорости Wx при у г 0,1 мм - 3%, Y^2 -10%. Важнейшие результаты опытое для типового участка канала между двумя выступами следующие. В горле выступа эпюра Й^почти равномерна. После выступа в слое шероховатости j < h формируется внутренний пограничный слой, опытная локальная толщинг которого 6 удовлетворительно согласуется с расчетом ее по формуле дл; турбулентного течения на пластине 5 = 0,37xRe~°•?где Rex= W^X/y; Wg-- местная опытная скорость на внешней границе внутреннего пограничного слоя; X - координата, отсчитываемая от выступа вдоль потока. Изменение скоростей W (на оси трубы), У)* и турбулентности на внешней границе

со О

Опыты выполнены совместно с доктором техн. наук H.H. Ковальноговым канд. техн. наук В.Л. Романовским, инж. A.B. Новиковым.

внутреннего пограничного слоя Ти^ = ✓ W^2 / W , W„ - местная, (рис.1) вдоль потока за точкой присоединения мало (для W - 10$ ее величины) и

CÖ

близко к линейному. Скорости W , W* удовлетворяют уравнению Борнулли.

со Ö

Во внутреннем пограничном слое опытный профиль W удовлетворительно со-

1/7

гласуется с расчетным профилем скорости W^ на пластине w /Wg = (у/5) , где Wg; 6 -измеренные величины; отклонение AW = (W - W,,)/'^ непосредственно за точкой присоединения составляет AW s 10$ и значительно падает по потоку и на стенке при у < 0,2 5. После низкого выступа происходит достаточно быстрая релаксация внутреннего пограничного слоя к "стандартному" течению на пластине. В слое шероховатости уровень турбулентности Tu одинаков с величиной Tu в вязком подслое гладкой трубы. Опыты выполнены в режиме с полным проявлением шероховатости, поэтому данные их автомодельны по числу Re. Результаты измерений принципиально и количественно согласуются с новыми известными исследованиями.

Впервые экспериментально установлено и оценено срабатывание турбулентности выступом при поджатии потока перед выступом и в его горле, что важно для понимания "работы" выступа, как генератора и регулятора турбулентности.

Выполнено опытное изучение теплообмена, сопротивления и соотношения между ними для потока воздуха в трубах D = (15 - 18)мм, длиной I = = 573 мм с поперечными кольцевыми выступами из проволоки: диаметром h = = 1,8 мм. Параметры выступов: шаг t = 45 мм, t/h = 25; 2h/D = 0,24 --0,2. Область режимов - Re = WD/t/ = 3-102 - 6-10^. Трубы с таким видом и параметрами шероховатости при малых числах Re потока воздуха (в переходном и ламинарном режимах) исследованы впервые. Определялись местные и средний а коэффициенты теплоотдачи. Опытные данные по средней теплоотдаче рис.2, линия "а", обобщены уравнением подобия

Ш = с Re°'0Pr°'44S. (3)

Сравнение опытных данных "а", рис.2, с исследованиями В.К.Мигая с сотр., линия "б", Грасса, точка "в", Уттарвара и др., линия "е" (пересчет на воздух) настоящими опытами для масла, линия "и" (пересчет на воздух), убеждает, что форма поперечного сечения выступа не влияет на интенсивность теплоотдачи, поэтому уравнение (3) справедливо при Re = 300 - 6000; 2h/D = 0,2 - 0,24; t/h =10-80 для любой формы выступов. Существенная часть опытных значений коеффициентов теплоотдачи много превышает (до 10 раз) уровень, соответствующий линии "а", рис.2, что свидетельствует о неустойчивости теплоотдачи при переходном режиме

Re < 4350, обусловленной перемежаемостью течения. В переходном режим уравнение (3) определяет нижний уровень теплоотдачи. Гладкой трубе ламинарном режиме по Мак-Лдамсу соответствует линия"М-А", рис.2, в по реходном режиме по Хаузену - линия "X".

Для вышеуказанных труб и режимов точения воздуха получен опытны закон сопротивления

с = 140 Re~0,G , (/|)

справедливый для изотермических и неизотермических потоков. Зако. (4), рис.3, линия "К" (труба N 1) отличается от аналогичных графика для технических труб со сплошной шероховатостью отсутствием "провала при переходе от ламинарного к турбулентному режиму, что согласуется известными исследованиями. Показатель степени при числе Re в закон (4) одинаков с показателем закона гладкой трубы. Из рис.3 следует ав томодельность £ относительно Re при Re а 2000, свидетельствующая быстром формировании турбулентного течения под действием выступов Сопротивление гладкой трубы отражается линией "л". Линия "м" соответс твует опытам В.К.Мигая с сотр. для труби D = 14 мм, 2h/D = 0,217, t/ = 20, параметры которой, исключая t/h, примерно одинаковы с размерам трубы N 1 (t/h = 25) настоящей работы. Сравнение данных "к" и "м" об наружило неординарное влияние шага t/h, при его возрастании, на гидро сопротивление трубы (£к> СуДРИ Re = idem), это влияние привело к уве личению е при нарастании t/h от 20 до 25- Настоящие опыты на воздухе трансформаторном масле совместно с исследованиями А.М.Конахина Б.А.Кумирова (на воде и трансформаторном масле) впервые представил новую информацию по возможному необычному влиянию шага t/h на сопро тивление и теплоотдачу трубы.

Согласно установившимся представлениям, которые основаны преиму щественно на опытах при Re > 10^, увеличение шага поперечных выступо в диапазоне t/h > 15 должно вызывать снижение сопротивления (и тепло обмена) трубы. Однако влияние шага выступов на теплогидравлически свойства труб изучено недостаточно, особенно в переходном режиме тече ни я.

Экспериментально доказано, что из-за падения эффекта интенсификг ции теплообмена (и сопротивления) при росте числа Re необычное влияш шага t/h может существенно проявляться при Re < 5-Ю и мало замен при Re > 10^. На рис.4 например показано увеличение сопротивления трт бы при возрастай™ шага выступов в области t/D > 1,66 при Re = 2000

опытах на масле. Отдельные факты неординарного влияния шага выступов на течение в трубах с выступами наблюдались в опытах Нуннера; Э.К. Калинина, Г.Л.Дрейцера, С.Л.Ярхо; Грасса. Особенности влияния шага выступов на поток связаны с перемежаемостью (периодической структурой) точения и возможностью автоколебательных возмущений потока выступами при определенных соотношениях величин D; t/h; Re и частоты Струхаля срыва вихрей с выступов. В новейших опытных исследованиях Грейнера и др. (США, 1990, 1991) зафиксирован резонанс потока в рифленных каналах. В настоящей работе приведены условия возникновения авторезонансных колебаний потока, предложена методика расчета параметров трубы, выступов и потока, соответствующих резонансу, что поможет исключить резонанс при проектировании оборудования.

Теплогидравлическое качество исследованных труб при течении воздуха оценивалось с помощью обратного энергетического коэффициента 1/Е1 = =NAt/Q (N - мощность прокачивания, At - температурный напор) и третьего критерия Берглса и др. для практического проектирования - R3 = а/агл, где агл - средний коэффициент теплоотдачи гладкой трубы при одинаковых размерах и мощности прокачивания для гладкой и шероховатой труб. При Re <4350 эффективность труб с выступами может быть весьма высокой - R3= = 1 - 6,8, однако неустойчивый режим теплоотдачи (непостоянство R3 во времени) в переходном режиме осложняет техническое использование этих труб.

Представлены результаты опытного изучения теплоотдачи, сопротивления и эффективности труб с накатанными поперечными: выступами при течении вязкой жидкости (трансформаторного масла) . Исследован диапазон: Рг = 170 - 320; Re = 30 - 1200; t/D = 0,33; 0,66; 1,22; 1,66; 1,94; öL/D = 0,8; 0,86; 0,92 (d - диаметр горла выступа). Реализовался вязкостный режим течения масел. Теплоотдача труб с выступами значительно увеличивается по сравнению с гладкой трубой, отношение Nu/Nu^ достигает значения 6,5, эффект интенсификации в номинально ламинарном режиме значительно выше, чем при турбулентном. В области малых чисел Re < 100 и больших (или малых) шагов выступов t/D теплоотдача труб снижается до уровня гладкой трубы. Получены уравнения подобия для расчета теплоот-

#1

' Опытное исследование труб при течении масла проведено совместно с доктором техн. наук Ю.Г. Назмеевым, кандидатами техн. наук A.M. Кона-хиным, Б.А. Кумировым, О.П. Шинкевичем.

дачи и ойпротйвления исследованных труб. Результаты опытов согласуйте) с известными трудами по трубам с пружинными проволочными вставками.

В диапазоне Re > 10 в опытах отмечались случаи необычного влияши шага выступов на сопротивление (и теплоотдачу) труб, рис.4. Это явление обсуждалось выше.

Трубы с накатанными выступами обнаружили высокие теплогидравличес-кие показатели при течении масел и воздуха в области Re < 1200. Характеристики труб вида 1/Е' = f(Re) и R^ = í(Re) при течении воздуха свидетельствуют, что применение этих труб гарантирует многократное повышение теплопроизводительности (или снижение металлоемкости) интенсифицированных теплообменников по сравнению с гладкотрубными. 0дновременн< обеспечивается экономия энергии на перекачивание теплоносителя. Промышленное использование исследованных труб экономически выгодно дл; теплоносителей Рг= 0,7 - 675-

Предложены и обоснованы модифицированные формулы Г.Шлихтинга дл: определения границ переходного режима в дискретно шероховатых трубах ReKp, = 60/(h/D), ReKp2 = 450/(h/D). (5)

Расчет по формулам (5) согласуется с известными опытными данными.

' В третьей главе приведены разработанные модели и методики расчет, теплоотдачи и трения турбулентного потока в каналах с дискретными выс тупами на основе интегральных методов теории пограничного слоя. Дан адаптация моделей и методик для расчета различных конкретных канало: промышленного оборудования, проведены расчеты каналов, результаты и: согласуются с опытом. Рассмотрены некоторые дополнительные вопрос теплогидравлики дискретно шероховатых каналов.

Анализ опытных данных настоящей работы и известной информации (те оретической, численных расчетов и опытов) о течениях около дискретн шероховатых поверхностей в каналах, при внешнем обтекании, при течени за внезапным расширением и за уступами позволил предложить физическу модель течения в турбулентном пограничном слое за низким поперечны выступом в канале произвольного поперечного сечения. Модель базируете на втором (детальном) подходе к описанию течения. Схема течения связа на с понятием низкого выступа; процесс обтекания единичного выступ различен, качественно и количественно, для низких и высоких элементов Существо модели следующее. Течение между двумя соседними выступами са мостоятельное при t/h г 5 и диффузорное. В натекающем потоке высту "срезает" переменную часть профиля скорости, это приводит к формирова

нию нового внутреннего пограничного слоя от точки отрыва на выступе здоль поверхности каверны (за выступом) до точки присоединения потока к стенке и далее вдоль стенки до следующего выступа. Современные опытные данные показывают, что на границе каверны и основного потока течению присущи черты течения в вязком слое (скорости в каверне малы по сравнению со скоростью основного потока, вдоль границы каверны высоки топеречные градиенты скоростей, рейнольдсовы напряжения и турбулентность). Поэтому развитие внутреннего пограничного слоя начинается не-тосредственно за выступом на поверхности каверны. После каждого выступа картина течения повторяется. Во внутреннем слое за низким выступом /ниверсальный профиль скорости, близкий к гладкой стенке, восстанавливается непосредственно после точки присоединения х/Ь. « б (что особенно зажно для внутренней части слоя у < 0,25), поэтому за точкой присоединения для внутреннего слоя приближенно справедлива двухслойная схема 'стандартного" пограничного слоя на гладкой стенке. Профиль скорости в горле выступа - равномерный, изменение давления и скорости в тотоке после точки присоединения - линейное. Скорости на оси канала и на внешней границе внутреннего слоя удовлетворяют уравнению Бернулли. Развитие течения за выступом имеет много общего со струйным течением в канале с малой степенью внезапного расширения. Для расчета теплообмена л трения на одной шероховатой стенке канала (например плоского) с гладкой противоположной стенкой целесообразно рассматривать часть течения между шероховатой стенкой и условной поверхностью нулевого трения (ось канала). В канале с наличием шероховатых и гладких стенок перепад давления вдоль канала одинаков на всех стенках, общие теплоотдача и сопротивление канала являются суммой характеристик переноса, независимо определенных для отдельных стенок. Суммарные потери давления ЬР^. на типовом отрезке канала складываются из потерь на выступе ЛР и грения на гладкой стенке ДРтр между двумя выступами.

Вихри, генерируемые выступом, попадают во внешнюю часть внутреннего пограничного слоя и в качестве турбулентности внешнего (относительно пограничного слоя) течения заметно влияют на теплообмен и мало на грение стенки. Степень влияния внешней турбулентности на процессы переноса около стенки зависит от соотношения толщины внутреннего слоя и масштаба вихрей от выступов, а также от уровня турбулентности. Механизм этого влияния исследован недостаточно. Вихри от выступа скатыва-отся по поверхности каверны и в области присоединения соударяются со

стенкой, йтйм обуёлйвлены максимумы теплоотдачи, трения и турбулентности в точке присоединения и начало интенсивного распада вихрей, сопровождающегося снижением влияния внешней турбулентности на перено< около стенки (при линейном падении Ти). Влияние внешней турбулентност) асимптотическое, при Ти г. ю% оно стабилизируется. Поэтому в точке щл соединения принимается Ти = 10%, на длине примерно ЗОИ после выст;

та х

па турбулентность снижается до уровня гладкой трубы Ти = 4%. Поджат» потока при входе в горло выступа исключает наращивание турбулизацю потока вдоль канала.

Интенсификация теплообмена за выступом обеспечивается обновление! пограничного слоя и турбулентностью, создаваемой выступом.

На стенке канала под каверной за выступом от точки присоединения : направлении, обратном основному течению, развивается другой погранич ный слой, определяющий теплогидравлическое взаимодействие потока с стенкой в области каверны.

Под низким выступом в модели течения понимается технически целесо образный выступ (й/Б а 0,9), близкий к минимальной высоте, обеспечива ющей режим частичного или полного проявления шероховатости.

Малые высота выступа и толщина обновленного пограничного ело сравнительно с поперечным размером канала позволяют отождествлять об текание выступа в канале с течением около выступа на плоской стенке рассчитать обновленный слой в канале по теории для плоской стенки.

Длина начального участка канала с поперечными выступами не боле (2 - 3)Я.

Автономность течения между двумя выступами и малая длина начально го участка канала позволяют считать, что средние теплоотдача и сопро тивление типового участка и всего канала одинаковы.

Представлено тщательное обоснование всех положений и допущений фи зической модели течения на основе полуэмпирической теории турбулент ности и известных опытных исследований. Дан анализ влияния на профил скоростей, температур, касательных напряжений и процессы переноса в внутреннем пограничном слое всех возмущающих течение факторов: собс твенно выступа, внешней турбулентности и ее уровня, диффузорности те чения, поперечной кривизны стенки.

Особое внимание уделено процессу релаксации внутреннего погранич ного слоя за выступом. Известно, что за низким выступом полное равне весное состояние течения, строго соответствующее гладкому каналу, дос

тигается при х/Ь. г. 12. Диализ убеждает: в пристенной зоне у+< 10я, решающим образом определяющей взаимодействие потока со стенкой, профили скоростей (температур) внутреннего слоя поело точки присоединения практически совпадают с профилем на гладкой пластине, что объясняется слабым, быстро исчезающим импульсом возмущегатя потока низким выступом и следующими- факторами.При уровне внешней турбулентности Ти = (4 -10)% и более ее влияние на трение (и профиль скорости) на етсшсс пренебрежимо мало. Диф$узорпость течения между низкими выступами но изменяет профиля скоростей около стешет относительно гладкого канала.

Незначительное (примерно линейное) изменение скорости (и давления) в ядре течения установлено анализом уравнения расхода (с толщиной вытеснения), существующих расчетов и опытных данных. Понятие топкого осесимметричного пограничного слоя и преобразования Степапова-Мапглера позволяют выяснить равенство величин параметров для течения во внутреннем слое трубы (за точкой присоединения) и па пластине. Автомодельное линейное падение Ти после присоединения (и величина Ти ) еоотпот ствует опытным законам затухания Ти.

Физическая модель течения трансформируется б математическую модель и соответствующую методику расчета потока в канале с поперечными вые -■гулами, которые обеспечивают определение теплоотдачи и сопротивления канала посредством теплогидравлического расчета ьнутреппих пограничных слоев между двумя выступами. Перенос тепла и импульса во внутреннем пограничном слое за выступом после присоединения описывается интегральными уравнениями теплового и динамического пограничных слоев на плоской стенке по С.С.Кутателадзе - А.И.Леонтьеву

¿•ж __* * _

(№е"/с1Х + №ет /ДТ) (<ШУйХ) = НелБ1;ли1 , (6)

'Г Т О О' с

Ме**/с1Х+( ПНкр)(Пе**/П^)(а^МЮ=По0(о^/2)Ч>еЧ,г (7)

Решение уравнения (6) тлеет вид

*■ г»;-*--" ГрсР■ 101

** ** .

где га; В - постоянные; Иет = р V/ , 5+ / д ;

Т га> ооЛ Т °> _

V (1; - Ь )/!>,„; (г - 11) - характерный размер; X = Х/(Ъ - 1г) -о о «

- относительная координата; М^рИ^/Ю - относительная локальная ско-

рость на внешней границе внутреннего пограничного слоя; VI скорость : горле выступа; относительный закон теплообмена.

Общее изменение скорости в ядре потока от сечения 1 в горле выступа до сечения 2 непосредственно перед следующим выступом соответствуе1 уравнению Бсрнулли

рУ/2 рУ12

Р1 + = Р1 + т1 АР +

--\

откуда W2= /У/2- (2Арт1)/р , где АР = £рУ/2р/2 - падение давления н; одном выступе; % - коэффициент сопротивления одиночного выступа, величина которого определяется по справочнику И.Е.Мдельчшса; т = (й/Б)2 ■

восстановленная часть перепада давления. Скорость V/ находится по заО

данной средней скорости IV . Градиент скорости (давления) вне внутрен-

ср

него пограничного слоя постоянен

^ = сШ^ № = (Шо - - Ь),

это позволяет вычислить местную скорость

Ъг = 1 - - ь)егас1 Ъг]/шо--

По соотношению (О) рассчитываются местные коэффициенты теплоотдачи. Фактическое значение коэффициентов теплоотдачи ссф находится п А.А.Жукаускасу введе1шем влияния внешней турбулентности осф/а = 1 4 [0,41 «г(0,2Ти)]-Ъ,

где "Ъ" - опытный коэффициент, учитывающий масштаб турбулентное® (высоту выступа) и соотношение его с толщиной внутреннего пограничноп слоя при различных Ие и Гг.

При определении местной теплоотдачи стенки под каверной за выступом используется метод, разработанный А.И.Леонтьевым с сотр. для расчета теплоотдачи под каверной за внезапным расширением канала. В это! методе теплообмен в зоне каверны рассматривается как процесс в пристенном вторичном возвратном пограничном слое (внутренний пограничны] слой с индексом 2), развивающемся от точки присоединения (X =0) обратно к выступу. Для слоя 2 уравнение энергии записано в форме

±± _

(Шет /б12 = зг02Р.е2, (9)

решение уравнения (9) содержит эмпирическое распределение скорости и внешней границе слоя 2. Метод дополнен опытными уравнениями подоби: для теплоотдачи. Расчеты и сравнение их с эмпирическими данными показывают, что в трубах реальных теплообменников (при малых Ь и длина: каверн) теплоотдача (и трение) на стенке под каверной на участке о'

выступа до точки присоединения изменяется примерно линейно от уровня гладкого канала до величин, свойственник точке присоединения. Осред-ненная теплоотдача между двумя выступами соответствует средней теплоотдаче канала.

Решение уравнения (7) приводит к локальным коэффициентам трения

где Rew = P^W^ö /ц^; i^- относительный закон трения, учитывающий диффузорность; -

* * Y А 1 ♦ ( 1 + m ) X _ 1 / ( 1 * m )

Rew = WJi i((1 + т)/2)В Rco f КЛ d"X]

о

Касательное напряжение трения на стенке определяется формулой х -^c^pW^j/2, напряжение непосредственно за выступом - ггл= (crj/°)PWcp ; егд соответствует закону Влазиуса. Осреднением местного напряжения трения Tw находится среднее напряжение т между двумя выступами, тогда суммарная сила трения на стенке равна RTp= JiD(t - h)tCp, соответствующие потери давления на трение - APTp~ /пВя, коэффициент сопротивления труби с выступами - с = 2БЛР^/ tpw^.

Достоинство предложенной модели заключается в том, что па базе фундаментально разработашшх интегральных методов теории пограничного слоя и готовых справочных данных по местным гидросопротивлениям модель позволяет выполнить теплогидравлический расчет и оптимизацию интенсифицированных каналов с выступами в процессе проектирования оборудования. Модель пригодна при d/D г 0,9; t/h ?. 9; Re s 3-10° для различных чисел Рг и любой формы поперечного сечения выступов, т.е. во всем диапазоне геометрических и реаодмных параметров каналов промышлошюго обо рудования .

В пределах рассмотренной модели расчет трения во внутреннем пограничном слое после присоединения возможен по уравнению К.К.Федяевского

и др.

<me**/dx = 0, 5Ке0^сг (1 /W^) (dV^/dX) (Н -< 1 )llc**.

Модель и методика расчета адаптированы к пяти основным типам дискретно шероховатых каналов реального оборудования.

1. Плоский (прямоугольный) канал, одна или несколько стенок которого имеют 'дискретные поперечные выступы. Каналы такого типа применяются, например, для охлаждения турбинных лопаток высокоэффективных ГТУ швейцарской фирмы "Зульцер". Результаты расчета тепломассообмена кана-

ла сечением В/Н = 6,4 с выступами на одной стенке h/H = 0,082; t/h = 10,3; h = 1,051 мм; при Rc = 12790 (воздух) показаны на рис.5, линия II - расчет без учета влияния турбулентности от выступов, линия III -с учетом этой турбулентности, лилия I - опыты Спэрроу и др. по массо-обмену нафталина. Сравнение линий II и III свидетельствует о соизмеримом вкладе в интенсификацию обновления пограничного слоя и турбулентности от выступов. Аналогичный характер имеет распределение трения. Расчетные кооффиционты средней теплоотдачи и сопротивления канала отличаются от опытных примерно на Ъ%-

2. Труба с кольцевыми поперечными выступами (конденсаторы ПТУ, подогреватели и охладители воздуха ПТУ, ГТУ). Проведены систематические расчеты на ЭВМ теплоотдачи и сопротивления труб для воды и воздуха в технически целесообразном диапазоне параметров выступов и чисел Re. Типичные результаты расчетов для воздуха (квадратные выступы) при Re = 104- 106даны на рис.6,7, сплоипшо линии - расчет, пунктирные - опытные формулы Э.К.Калинина, Г.А.Дройцера, С.А. Ярхо (теплообмен), Б.А.Кадера (сопротивление); для расчета и опыта обозначено: 1 - t/h = 14; 2 - 20; 3 - 25; 4 - 30. Расслоение опытных данных по теплообмену, рис.6, в зависимости от t/h несколько больше, чем в расчетах. В масштабе рис.6 расчетные результаты для различных t/h располагаются близко между собой, поэтому они показаны одной линией. В расчетах, как и в опытах, проявляется связь вида Nu~Rc0,0, одинаковая с гладкими трубами. Отклонение расчета от опыта равно 18,5%. Расчетные коэффициенты сопротивления, рис.7, существенно зависят от t/h и удовлетворительно согласуются с опытами. Опытный закон сопротивления автомоделей по Re, расчетный закон - близок к автомодельному, некоторое снижение с при росте Re объясняется зависимостью АР - i(Iio) и соответствует объективным свой-

^ У

ствам труб. Отклонение расчета от огшта - 18,4/?.

3- Кольцевой канал с поперечными выступами на одной или двух стенках (канал ЯР и др.). Проанализировано и учтено в расчете стабилизирующее и дестабилизирующее воздействие поперечной кривизны внутренней и внешней стенок канала на теплообмен. Отююнение расчетных величин от опытных Фиерштейна и Рампфа для теплообмена (3 - 1)%, для сопротивления 21%.

4. Продольное обтекание пучка твэлов ЯР с поперечными выступами на оболочке. Модель использована для типового элемента потока, ограниченного поверхностью твэла и адиабатной цилиндрической поверхностью нуле-

вого трения радиусом S/¿, S - шаг тв&лов. Расчетные данные по теплообмену отличаются от опытных - Сезерленда не более, чем на 7%.

5. Труба со спиральными выступами (труба конденсатора ПТУ и др.). Модель доработана с учетом закрутки потока выступами и обновления пограничного слоя за выступами. С помощью интегрального параметра закрутки по В.К.Щукину, А.А.Халатову Ф^, оценивающего ее влияние на трение и теплообмен, показано, что в обсуждаемых трубах механизмы переноса тепла и импульса одинаковы с незакрученным течением. Поэтому влияние закрутки потока учтено введением эффективных скорости и длины. Отражено подавление закруткой турбулентности, создаваемой выступами. Расчетные результаты для воды и воздуха отклоняются от опытных данных по теплообмену Ю.Н.Боголюбова и др. менее, чем на 20% при углах атаки выступов <Р < 55°, от опытов П.А. Савельева и др. по сопротивлению - меньше, чем на 25% при (р < 45°. Расчеты в согласии с опытами обнаружили, что при <р > 50° воздействие спиральных выступов на поток эквивалентно действию дискретных поперечных кольцевых выступов.

В этой главе рассмотрены некоторые дополнительные вопроси расчета каналов с выступами: теплогидравлический расчет в переходном режиме; расчет теплоотдачи на поверхности выступов; краткий приближенный расчет сопротивления. Рекомендована рациональная форма выступов с малым сопротивлением. Предложена конструкция теплообменника с регулированием теплообмена и сопротивления.

В четвертой главе представлено расчетное исследование интенсифицированного теплообмешгого энергооборудования с дискретно шероховатыми каналами.

Анализ литературы свидетельствует, что для стационарного оборудования этого типа наиболее универсальными методами технико-экономической оценки эффективности являются: метод приведенных расчетных затрат (3 руб/год) и энергетический коэффициент Е = Q/N или 1/Е'. Экстремум коэффициента Е или удельных затрат 3' = 3/Q служит критерием эффективности оборудования и оптимальности параметров шероховатости его каналов. Величина Е требует меньшего объема расчетов и предпочтительна при проектировании (модернизации) оборудования. В эффективном теплообменнике с оптимальными параметрами выступов в каналах экономится электроэнергия на прокачивание теплоносителя при передаче единицы тепла AN = 1/Ерл - 1/Е, (10)

где Ей Е - коэффициенты оптимального интенсифицированного и

гладкотрубного аппаратов. Экономия электроэнергии в течение года ДЭ руб/год при эксплуатации интенсифицированного теплообменника по сравнению с гладкотрубным составляет

ДЭ = CqTA NQ/ц, (11)

здесь с - стоимость 1 кВт-ч; г - время работы насосов; ANQ - экономия мощности прокачивания; 17 - КПД. Величину ДЭ можно использовать как ведущий показатель для поиска оптимальной шероховатости и выгодного варианта аппарата в целом.

Даны основы выбора параметров и оптимизации ЯР. Экономичность АЭС обычно оценивается по приведенным затратам на производство энергии или по стоимости отпущенной энергии. Показано, что коэффициент 1/Е' -простой и надежный критерий оптимизации размеров шероховатости оболочки твэлов и параметров A3 ЯР в целом, обеспечивающий экономически выгодное соотношение теплосъема с поверхности твэлов и мощности прокачивания охладителя через A3.

Приведен анализ результатов теплогидравличеекого, техникоэкономи-ческого расчета и оптимизации промышленного водоподогревателя. Для проверки предлагаемой модели и методики расчета течения в каналах с выступами, а также для практических нужд завода "Казаньбытхим", в широкой области размеров выступов в трубе и чисел Re проведены расчеты кожухотрубчатого пароводоподогрсвателя системы горячего водоснабжения завода. Определены эффективный вариант аппарата, соответствующие ему оптимальные параметры выступов и число Re. При оптимизации в качестве целевой функции использовались приведенные расчетные затраты. Расчеты 35 вариантов теплообменника выполнены в диапазоне h/D = 0,02 - 0,045; t/h = 14-25; Re = 104- 106. В расчетном интервале минимальных удельных затрат 3' установлен пологий характер изменения целевой функции. Примерно одинаково эффективны аппараты со следующими размерами выступов (Re = 104): 1 - h/D = 0,03; t /h = 17; 2 - 0,04; 20; 3 - 0,025; 14, которые согласуются с опытно найденными рекомендуемыми параметрами выступов (Э.К.Калинин и др.). Матмодель подогревателя, программа расчета и оптимизации на ЭВМ (приложение 1) полезны для практического применения.

Представлены результаты теплогидравличеекого расчета и оптимизации активной зоны ядерного реактора ВВЭР-1000, модернизированного введением кольцевых поперечных выступов па оболочке твэлов для обеспечения белое оптимального соотношения тепловыделения тволоп Q и мощности про-

качивания вода M через A3, а также соответствующего повышения КПД по сравнению с серийным ВВЭР с гладкими твелами. Оптимальное соотношение Q и N (оптимальный вариант модернизированного ЯР) достигается поиском соответствующих ему оптимальных параметров выступов (t, h) на оболочке твелов и числа Re. Оптимизация размеров выступов осуществлялась при фиксированной мощности ЯР, неизменных размерах твелов, TBG и A3 и переменном расходе воды через A3. Критерий оптимизации - 1/Е' = min. Теплоотдача и трение шероховатых твелов контролировались по опытным

законам вида (1), (2). Расчеты выполнены при 0,1 * 2h/d & 0,002; t/h=

8

= 9 - 90; скорости течения воды W = 2 - 12 м/с (d - эквивалентный диаметр пучка твелов). В исследованном диапазоне чисел Re и размеров выступов оказались энергетически не выгодны выступы высотой h/cL > 0,002,

. 0

которая близка к теплогидравлически оправданному пределу h < 160. Оптимальному модернизированному ЯР соответствуют оптимальные выступы -t/h=30 (15, 60); h/d = 0,001 (при Re = idem близкий по эффективности

о

вариант - t/h = 30(15, 60); h/d = 0,002). В оптимальном модернизированном ЯР в среднезагруженной TBC выступы обеспечили снижение скорости (расхода) воды до 4 м/с (серийная - 5,5 м/с) при заметном повышении коэффициента теплоотдачи, что обусловило резкое увеличение теплогидрав-лического качества A3 - 1/Е' - по сравнению с серийным ЯР (в 2,5 раза!). Согласно формулам (10), (11) достигается значительная экономия электроэнергии на перекачивание воды. Температуры топлива, оболочки твэла и воды, термонапряжения на поверхности топлива в модернизированном ЯР одинаковы или меньше, чем в серийном. Модернизированный ЯР предпочтителен, как менее термонагруженный и более экономичный, следовательно применение интенсификации теплообмена в ЯР типа ВВЭР целесообразно. Матмодель реактора, программа расчета и оптимизации на ЭВМ (приложение 2) предусматривают расчет ЯР типа ВВЭР, PWR (США), охлаждаемых углекислым газом и гелием AGR (Англия), HTGR (США и др.), реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, с топливом U02, UC2, с материалом оболочки твела - нержавеющая сталь, цирконий, реакторный графит.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I.Выполнено опытное исследование теплообмена и сопротивления каналов с дискретными выступами при течении газа и жидкости в неисследованном диапазоне режимов течения и параметров поперечных выступов. Получе-

ни обобщающие уравнения подобия для теплообмена и сопротивления каналов. Оценена теплогидравлическая эффективность этих каналов, даны рекомендации для их промышленного использования.

Экспериментально установлена возможность возрастания сопротивления трубы при увеличении шага выступов в области t/h > 15, что связано с воз-ншсновением автоколебаний потока под влиянием возмущений от вихрей, срывающихся с выступов. Прогнозируется возможность авторезонансных колебаний потока при совпадении частоты Струхаля срыва вихрей с выступов с собственной частотой колебаний объема теплоносителя в трубе. Предложена методика расчета параметров выступов, трубы и потока, соответствующих резонансу, что позволит исключить резонанс на этапе проектирование оборудования.

Предложены формулы для определения границ переходного режима в каналах с поперечными и спиральными выступами.

2. Проведено термоанемометрическое исследование структуры турбулентного потока воздуха в трубе с технически реальными размерами поперечных выступов. Измерены (вычислены) поля продольной осредненной и пульсационной скоростей, интенсивности турбулентности, напряжения трения на стенке и коэффициент сопротивления. В пределах слоя шероховатости у < h за выступами зафиксировано формирование внутреннего пограничного слоя, профиль осредненной скорости в котором после точки присоединения за выступом близок к профилю скорости на гладкой пластине, что соответствует быстрой релаксации пристенного течения за низким выступом. Определены законы изменения скорости и турбулентности ядра потока после присоединения за выступом. Экспериментально установлено и оценено срабатывание турбулентности выступом при поджатии потока перед выступом и в его горле, что важно для понимания "работы" выступа, как генератора и регулятора турбулентности.

Следовательно получена новая эмпирическая информация по структуре турбулентного потока в каналах с выступами.

3. Впервые разработаны модели и методики расчета теплоотдачи и тре ния в каналах с поперечными и спиральными выступами на основе описания автономных внутренних пограничных слоев между соседними выступами с по мощью интегральных методов теории пограничного слоя С.С.Кутателадзе -А.И.Леонтьева, К.К.Федяевского и др. Модели работоспособны при совмест ном налипши шероховатых и гладких стенок канала во всем техническом диапазоне величин h, t, Re, Рг.

Впервые модели обеспечивают расчет как теплоотдачи, так и трения в канале (по известной величине коэффициента местного сопротивления единичного выступа).

Достоинство моделей заключается в возможности оперативного инженерного расчета интенсифицированного перспективного энергообрудования на базе фундаментальных интегральных методов и готовых справочных данных по местным гидросопротивлениям.

4. Техническое приложение моделей и методик расчета дано в форме способов теплогидравлического расчета пяти основных типов каналов с дискретными выступами: прямоугольного (охлаждающий канал турбинной лопатки ГТУ); круглой трубы (труба водоподогревателя и др.); кольцевого (канал ЯР); продольно обтекаемого пучка тволов ЯР; круглой трубы со спиральными выступами (труба конденсатора ПТУ). Предложен оценочный расчет теплоотдачи на поверхности выступов. Подготовлены ЭВМ-программы расчета шероховатых каналов.

5. Разработаны математические модели и ЭВМ-програмкш для теплогидравлического расчета и оптимизации интенсифицированного теплообменного енергоооорудования: пароводяного подогревателя системы горячего водоснабжения завода; ядерных реакторов, охлаждаемых однофазными теплоносителями; аппаратов воздушного охлаждения промышленных продуктов. Предложена методика расчета и оптимизации экономии электроэнергии на перекачивание теплоносителей в интенсифицированном оборудовании. Выполнено расчетное исследование указанного енергооборудования, рекомендуются целесообразные параметры выступов. Вероятно впервые оценена эффективность шероховатых тволов в реакторах ВВЭР - 1000, определены оптимальные параметры шероховатости.

6. В развитие технических приложений моделей течения в каналах с выступами предложены: рекомендации по профилированию выступов, обеспечивающих высокое теплогидравлическое качество канала; конструкция ко-жухотрубчатого теплообменника с регулированием интенсивности теплообмена и величины потерь давления.

7- Результаты работы в значительной мере обеспечивают проектирование перспективного интенсифицированного теплообменного оборудования (с выступами в каналах) полувмпирическим (и эмпирическим) методом тепло-гидравлического расчета (и оптимизации).

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение содержит модель промышленного пароводоподогревателя с дискретно шероховатыми трубами. Обсуждены проблемы и методы теплогидравлического расчета интенсифицированных теплообменников, влияние конструкции и технологии изготовления на их характеристики. Приведены схемы расчета и оптимизации интенсифицированного водоподогревателя в условиях проектирования и модернизации. Рассмотрены программы и принципы построения их для САПР теплообменников на ЭВМ. Даны результаты расчетов и оптимизации.

Приложение 2 - модель для теплогидравлического расчета и оптимизации на ЭВМ активной зоны ЯР с дискретно шероховатыми твзлами, охлаждае мыми водой и газами. Представлены схемы поискового расчета, гидравличе ского профилировать, оптимизации A3 и соответствующая ЭВМ-программа.

Приложение 3 - модель для теплогидравлического расчета и оптимизации аппаратов воздушного охлаждения с дискретно шероховатыми трубами (или с применением др.способов интенсификации теплообмена). Изложены преимущества и эффективность воздушного охлаждения промышленных продук тов, способы интенсификации теплообмена в пучках оребренных труб ABO, схема конструкторского расчета и оптимизации ABO, программа теплогидра влического расчета потока продукта в трубах с кольцевыми выступами для ЭВМ IBM PC/AT.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Олимпиев В.В. Эффективность теплообменников и способы ее повышения. М.: Моск. внерг. ин-т, 1980. 62 с.

2. Олимпиев В.В. Расчет турбулентного трения и теплообмена в KaHaj с дискретными интенсификаторами теплообмена полуемпирическим интеграл* ным методом в совокупности с аналогией Рейнольдса //Теплообмен и треш в Д и ЭУЛА / Казане.авиац.ин-т. Казань, 1984- С. 50 - 54.

3- A.c. 1177662. Пневматическое устройство для измерения диаметро! валов / Авт.изобрет. Олимпиев В.В. и др. МКИ G 01 В 13/00, 1985.

4. Олимпиев В.В. Расчет турбулентного трения и теплообмена в трубе со спиральной накаткой // Теплообмен и трение в Д и ЭУЛА / Казан.авиа! ин-т. Казань, 1986. С. 47 - 52.

5. Олимпиев В.В. Расчет турбулентного теплообмена и трения в шероховатом кольцевом канале // Теплообмен и трение в Д и ЭУЛА / Казан, ai иац. ин-т. Казань, 1987. С. 61 - 64-

ó. A.c. 1314314- Устройство для регулирования расхода загрязненных жидкостей и газов, а также твердых тел при их пневмогидротранспортиров-ке /'Авт.изобрет. Олимпиев В.В. и др. МКИ G 05 D 7/01, 19877- Олимпиев B.B. Простая полуомпирическая модель турбулентного течения для расчета теплообмена и трения в дискретно шероховатых каналах // Теплообмен и трение в Д и ЭУЛА / Казан, авиац. ин-т. Казань, 1988. С. 67 - 71.

8. Олимпиев В.В. Оптимизация и расчет вкономии электроэнергии при модернизации теплообменников посредством интенсификации теплообмена // Интенсификация процессов тепломассообмена в энергетических и технологических установках / Моск.енерг.ин-т. М., 1988. С. 43 - 48.

9. A.c. 1464605- Волновая энергетическая установка / Авт.изобрет. Олимпиев В.В. и др. МКИ Р 03 В 13/12, 1988.

10. Олимпиев В.В. Интенсификация конвективного теплообмена путем применения дискретной шероховатости // Интенсификация процессов тепло-масообмена в энергетических и технологических установках / М.: Моск. енерг. ин-т. 1989. С. 40 - 5511. Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления при продольном турбулентном обтекании дискретно шероховатого пучка труб // Теплообмен и трение в Д и ЭУЛА / Казан.авиац.ин-т, Казань, 1989- С. 45 -49.

12. Олимпиев В.В., Халитова Г.Р. Расчет эффективного теплообменника с оптимальной шероховатостью // Теплообмен и трение в Д и ЭУЛА / Казан, авиац.ин-т. Казань, 1989- С. 63 - 67.

13- Олимпиев В.В., Халитова Г.Р. Расчет на ЭВМ теплообмена, гидросопротивления, оптимальной шероховатости и вкономии энергии в интенсифицированных теплообменниках // Краткие тезисы докладов к Республиканской научно-практической конференции: Пути повышения надежности и эффективности теплоснабжения промышленных предприятий / Казан.филиал Моск.энерг.ин-та. Казань, 1989- С. 26.

14. Олимпиев В.В. Интенсификация теплообмена, расчет и оптимизация пароподогревателей и ABO с шероховатыми каналами на ЭВМ. Казань: Казан, филиал Моск.внерг.ин-т, 1990. 147 с.

15. Олимпиев В.В. и др. Рациональная форда выступов для интенсификации теплообмена в каналах энергообрудования. Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции: Повышение эффективности энергоснабжения промышленных предприятий. Казанск.филиал Моск.энерг.ин-та.

Казань, 1990. С. 96 - 97.

16. Олимпиев В.В., Назмеев Ю.Г. Современное интенсифицированное теплообменное оборудование - проблемы, расчет, проектирование, применение // Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции: Повышение эффективности энергоснабжения промышленных предприятий / Казан.филиал Моск.енерг.ин-та. Казань, 1990. С. 36 - 3717- Олимпиев В.В. и др. Опытное исследование теплообмена и гидросопротивления дискретно шероховатой трубы // Тезисы докладов научной конференции студентов и преподавателей вузов ТССР / Казанск.авиац.ин-т Казань, 1991- С. 15.

18. Олимпиев В.В. Простая модель турбулентного течения для расчета теплообмена и трения в дискретно шероховатых каналах, расчет и оптимизация теплообменного энергооборудования на ЭВМ // Доклады первой Всесс юзной конференции по "Математическому моделированию физико-химических процессов в внергетических установках" /Казан.авиац.ин-т. Казань, 1991 С.5-

19. Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления турбулентного потока в дискретно шероховатых каналах // Авиационная техника. 1991. N 4. С. 69 - 72.

20. Олимпиев В.В., и др. Проблемы и методы расчета интенсифицированных теплообменников. Влияние конструкции и технологии изготовления на их характеристики // Интенсификация процессов тепломассообмена в внергетических и технологических установках/ / Моск.энерг.ин-т. М., 1991. С. 58 - 67.

21. A.c. 1649937- Устройство для регулирования расхода / Авт. изо-брет. Олимпиев В.В. и др. МКИ G 05 Д 7/01, 1991.

22. Олимпиев В.В. Переходный режим течения в шероховатых каналах // Теплообмен и трение в двигателях и внергетических установках летательных аппаратов (Д и ЭУЛА) / Казан.авиац.ин-т. Казань, 1991. С. 48 ■ 51.

23. Олимпиев В.В. Теплообмен и трение в шероховатом кольцевом кан; ле // Авиационная техника. 1992. N 3. С. 23-26.

24. Олимпиев В.В. Теплогидравлический расчет обтекашм шероховаты: тволов, эффективность их применения в реакторе ВВЭР-1000 // Теплоэнергетика. 1992. N 3. С. 53 - 58.

25. Олимпиев В.В. Теплоотдача и гидросопротивление в трубе со спи ральными выступами // Изв.вузов. Авиационная техника. 1992. N 2. С.68

26. Олимпиев В.В., Кольцов М.В. Тешгогидравлический расчет и оптимизация ядерных реакторов, охлаждаемых однофазным теплоносителем. Ы.: МЭИ, 1992. 56 с.

27- Олимпиев В.В., Мишакин Д.Г., Алексеева О-В. Эффективность шероховатых твэлов в водоохлаждаемой ядерной онергоустановке // Теплообмен и трение в Д и ЭУЛА / Казан.авиац.ин-т. Казань, 1992. С. 50 - 62.

28. Olimpiev V.V. Calculation оГ the heat transfer, losses of pressure and efficiency index for the canals containing a two-dimensional rib rouglmess in a nuclear reactor. First Tatarstan symposium on energy, environment, economics. Kazan branch of Moscow Power- Engineering Institute. Kazan, 1992. P. 145 - 146.

29- Олимпиев В.В., Романовский В.Л., Новиков А.В., Ковальногов II.II. Термоанемометрическое исследование структуры потока в канале с выступами // Авиационная техника. 1993- N 1. С. 74 - 78.

30. Олимпиев В.В. Эффективность интенсификации теплообмена посредством шероховатости твзлов в реакторе ВВЗР - 1000 // Теплоэнергетика. 1993. N 3. С. 43 - 46.

31. Назмеев Ю.Г., Конахин A.M., Кумиров Б.А., Олимпиев В.В.,Шин-кевич О.П. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при ламинарном течении вязкой жидкости в трубах с искусственной шероховатостью // Теплоэнергетика. 1993- N4 с. 66 - 60.

32. Олимпиев В.В. Теплогидравлическое качество дискретно шероховатой трубы // Авиационная техника. 1993- N3- с. 72 -77.

33- Назмеев Ю.Г., Олимпиев В.В. и др. Проблемы теплогидравлического расчета и промышленного применения дискретно шероховатых труб при переходном течении теплоносителя // Тезисы докладов Юбилейной научной конференции КФ МЭИ/ Казан, филиал Моск. енерг. ип-та. Казань, 1993- с. 8.

34. Назмеев Ю.Г, Конахин A.M., Кумиров Б.А., Шинкевич О.П. Олимпиев В.В., Экспериментальное исследование теплообмена при ламинарном течении в трубах с использованием проволочных спиральных вставок// Там же. с. 12.

35. Олимпиев В.В. и др. Экспериментальное исследование теплоотдачи и гидросопротивления шероховатой трубы // Охлаждаемые турбомашины и энергетические установки // Казан, авиац. ин-т. Казань, 1994. с.63-70.

36. Назмеев Ю.Г., Олимпиев В.В. и др. Резонансное возмущение потока в каналах с дискретными выступами // Авиационная техника. 1994. N1.

С. 137 - 13937. Назмеев Ю.Г, Конахин А.М., Кумиров Б.А., Олимпиев В.В., Шинке-вич О.П. Теплообмен и гидравлическое сопротивление при пульсирующем ламинарном течении вязкой жидкости в трубах с искусственной шероховатостью // Теплоэнергетика. 1995. N3. с. 57 -59.

38. Олимпиев В.В. Анализ результатов расчета по модели внутренних пограничник слоев теплоотдачи и сопротивления труб с поперечными кольцевыми выступами // Авиационная техника. 1995. N3. с. 65-68.

39. Олимпиев В.В., Алексеева О.В. К теплогидравлическому расчету каналов с поперечными выступами // Охлаждаемые турбомашины и энергетические установки // Казан.авиац.ин-т. Казань, 1995- е. 45 -47.

40. Олимпиев В.В. Релаксация внутреннего пограничного слоя за низким препятствием в канале // Теплоэнергетика. 1995. N5- с. 55 - 58.

Соискатель

£

<5

G

h 2

ÎÛOC ¿ООО 3000 Чооо SOOO €ООО Re.

Pu о г

Y • \ t Рис 3

л - ■ .¡- к

• . « Ч. { ■ • ' M

1

3 4s fièicr

M

2/Ó.

гл S Ч 3

г i

/ \ ч

1/ s.

J \j X s

т*— 1

о о,г о,Ч 0,6 о,8 1 Í,2 i,к ite 18 t/%

Рис А

S6

ISO

Ik о 100

/Ч \г»1 Iii

ïï (

о

0,3 0,5 0,7 0,9 X

Рис S

fyVié

3

y. f

* s 6 e$Re

Pue 6

T

H

Pua ?