автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Теплообмен при смешанной конвекции на плоских цилиндрических поверхностях теплообменных аппаратов и охлаждающих устройств

Академия наук УССР Институт проблем машиностроения

На праЕах рукописи

Аль Юссеф Исса Юнее

ТЕПЛООБМЕН ПРИ СМЕШАННОЙ КОНВЕКЦИИ НА ПЛОСКИХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕПЛООШЕННЫХ АППАРАТОВ И ОХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

ОБ.14.04 - промышленная теплоэнергетика

Артореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1991

Работа выполнена на кафедре общей теплотехники Харьковского политехнического института им.В.И.Ленина

кандидат технических наук, доцент

A.Л.Шевелев

доктор технических наук, старший научный сотрудник Ш.Л.Гольдин

кандидат технических наук

B.В.Дроздов

Научно-производственное объединение "Энергосталь"

Защита состоится "И/Г" 1991 г. в /^ ча-

сов на заседании специализированного совета Д 016.22.01 при Институте проблем машиностроения АН УССР (310046, г.Харьков, ул. Дм.Пожарского, 2/10)

С диссертацией моашо ознакомиться в библиотеке ИПМаш АН УССР-.

•Автореферат разослан. ¿9 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

Ведущая организация

'.г:;.Л'-!". ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■" '' ' Актуальность работы. Создание эффективных теплообменник аппаратов для энерготехнологических установок и разработка си-"с-тег.г'охл^здения различных элементов конструкций и агрегатов является важной технической задачей, имеющей непосредственное отношение к сбережению энергоресурсов и обеспечению надежности работы оборудования во многих отраслях народного хозяйства.

Повышение эффективности теплообменных аппаратов и охлаждающих устройств зависит от многих факторов в том числе от полномерного использования высоких теплогидравлическпх характеристик развивающихся течений на начальных участках каналов и рабочих поверхностей.

Расширение сфер применения теплообменных аппаратов и охлаждающих устрийств ставит как актуальные вопросы нестационарного и сопряженного теплообмена при внешнем и внутреннем обтекании плоских и цилиндрических поверхностей. В связи с этим репаемая в диссертационной работе задача актуальна и имеет важное практическое значение.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН УССР на 1986-90 гг. по комплексной проблеме "Теплофизика", шифр 1.9.7.П.4 "Исследовать на физических и математических моделях процессы гидродинамики и теплообмена в каналах и элементах энергетических и энерготехнологических установок".

Цель работы. Повышение теплогидравлическпх характеристик матриц те сменных аппаратов и охлаждающих устройств, элементами к^ари:: лзляются короткие плоские и цилиндрические поверхности, путем оптимального использования свойств развивающихся течений и переходнЕХ процессов.

Для достижения поставленной цели выполнены следующие эта-ш работы: разработана методика определения теплогидравличес-*их характеристик для ламинарной смешанной конвекции в корот-(их вертикальных плоско-параллельных и кольцевых концентрических каналах; разработана методика определения теплогидравли-¡еских характеристик при внешнем обтекании коротких плоских [_ цилиндрических поверхностей для нестационарного и сопряжен-юго теплообмена; проведены численные исследования гидродина-ики и теплообмен.-* и определены геплогидравлические характе-истики для лзешпрнп.г: течений с т':руагрчш<т-!цн»й « коротких

плоскопараллельных и цилиндрических кольцевых каналах; проведены численные исследования гидродинамики и теплообмена и определены теплогздравлические характеристики для нестационарного сопряженного теплообмена на коротких вертикальных пластинах и цилиндрах; разработан стенд и проведены экспериментальные исследования теплоотдачи наклонного циливдра к спокойному воздуху.

Научная новизна. Впервые получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Разработана методика численного определения теплогид-равлических характеристик для ламинарных течений с выталкивающими силами в коротких вертикальных плоскопараллельных и кольг-цевых концентрических каналах.

2. Разработана методика определения теплогидравлических характеристик при внешнем обтекании плоских и цилиндрических поверхностей для нестационарного сопряженного теплообмена.

3. На основании численных исследований гидродинамики и теплообмена определены теплогидравлические характеристики вертикальных плоскопараллельных и кольцевых концентрических каналов для ламинарных течений с выталкивающими силами при одинаковых и различных температурах и тепловых потоках на стенках.

4. На основании численных исследований определены тепло,-гидравлические характеристики нестационарного сопряженного теплообмена при ламинарном обтекании коротких вертикальных пластин и цилиндров.

5. По данным экспериментальных исследований получено критериальное уравнение для теплоотдачи от наклонного цилиндра

к спокойному воздуху.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики численного моделирования гидродинамики и теплообмена и в определении теплогидравлических характеристик для смешанной конвекции при внешнем и внутреннем обтекании плоских и цилиндрических поверхностей, которые могут быть использованы при проектировании и эксплуатации теплообменных аппаратов и охлаждающих устройств. Результаты работы могут использоваться в учебном процессе при выполнении студентами учебных и научно-исследовательских работ. Предусматривается передача созданного стенда по исследования теплоотдачи от наклонного цилиндра к спокойному воздуху при естественной конвекции учебной лаборатории кафедры общей теплотехники Харьковского политехнического

института им.В.И.Ленина.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях, проводимых кафедрой общей теплотехники ХПИ иы.В.И.Ленина (1989, 1990, 1991 гг.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и семи глав, списка использованных литературных источников из 59 наименований, 72 рисунков, 17 таблиц, всего 163 страницы.

В первой главе рассматриваются различные типы поверхностей теплообмена и основные характеристики, определяющие их теплогидравлическую эффективность применительно к теплообмен-ным аппаратам и охлаждающим устройствам. Приводится анализ методик, относящихся к численному моделированию развивающихся ламинарных течений и теплообмена, рассматриваются опубликованные работы по исследованию конвекции в коротких каналах и при внешнем обтекании плоских и цилиндрических поверхностей. На основании обобщения рассмотренного материала сформулирована цель и задача исследования.

Во второй главе рассматривается смешанная конвекция на начальном участке вертикального плоскопараллельного канала для двух характерных случаев нагревания жидкости: при задании." температуры и теплового потока на стенках канала. В обоих случаях условия нагревания могут быть несимметричными. Физическая сторона задачи и ее математическая модель формулируется на основе приближений теории пограничного слоя применительно к течениям в каналах с выталкивающими силами. Математическая модель включает следующие уравнения сохранения: неразрывности,, количества движения и энергии:

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(2)

(I)

для следующих граничных условий:

б

Х = 0, 0<У<4: и.М , У=Р = 8 = 0 ;

г, о • ^ Г) •

х>о, у=0 ■• и- \/=о, е = (4)

Уравнения записаны в безразмерных величинах, которые определены следующим образом: и.= и:/й0, \/ = V Йе/О-о '

X = X/Сй^е), у = у/й, Л = бг/Ке

Уравнения математической модели решались по неявной разностной схеме, которая модифицирована на случай смешанной конвекции. При численном решении использовалась регулярная сетка, ее размеры определялись из условия,, при котором дальнейшее измельчение шагов интегрирования не влияло на точность результатов. Но результатам численного эксперимента определены профили скорости и температуры в различных сечениях канала, изменение средне'массовой температуры и продольной скорости на центральной линии канала и теплогидравлические характеристики для нескольких значений параметра смешанной конвекции, чисел Прандтля, отношений температур и тепловых потоков на стенках канала. В качестве теплогидравлических характеристик приняты местные значения чисел Нуссельта, безразмерный параметр плотности теплового потока и коэффициенты трения. Результаты приведены в виде графиков и таблиц, которым дается анализ. Характерные зависимости приводятся на рис.1 и 2. На рис.1 крестиками отмечены данные, которые имеются в литературе для чисто вынувденной конвекции. Из рис.1 следует, что действие термогравитации приводит к снижению коэффициентов трения, при этом более существенно при несимметричном нагревании. Изменение знака коэффициентов трения указывает на изменение знака продольного градиента давления, что характерно для смешанной конвекции с постоянным расходом. На рис.2 показано влияние числа Прандтля и параметра смешанной конвекции на местные значения чисел Нуссельта при симметричном нагревании с постоянной плотностью тепловых потоков на стенках. Из рис.2 следует, что с ростом значений чисел Прандтля имеет место увеличение теплоотдачи, причем в одинаковой мере как для вынужденной, так и смешанной конвекции. Характерным является уменьшение

РисЛ. Изменение коэффициента трения вдоль канала:

1 - А = 0 ; 4мЛЬ/2=1 '

2 - Л =100 ; 1 5 3-Л =500 ; ?

16

12

Ми

к 100

\ - 10 "

—

ИГ

---,- 1—1 -

Рг =0,7

Х-ю*

Рис.2. Влияние числа Р^ на теплоотдачу при симметричном нагревании для вынужденной (----) и смеаанной конрекции (А =500)

0

4

б

влияния на теплоотдачу термограиитации при увеличении чисел Прандтля.

В третьей глгге приводятся результаты исследования смешанной конвекции в коротком вертикальном кольцевом концентрическом канале при задании температуры или тепловых потоков на стенках. Математическая модель сформулирована на основе приближений теории пограничного слоя. Исследование кольцевых каналов несколько сложнее чем плоскопараллельных, поскольку появляется дополнительный параметр - отношение внутреннего и наружного радиусов. При наличии большого числа независимых параметров особое внимание уделяется определению теплогидравлических характеристик для условий неодинаковых температур и тепловых потоков на стенках. Качественная характеристика результатов получена такал же, как и для плоскопараллельных каналов, хотя выявлены и некоторые особенности. Так, при фиксированном отношении радиусов, с ростом величины параметра смешанной конвекции теплоотдача на внутренней поверхности канал^увеличивается более заметно, чем на поверхности с внешним радиусом. Кроме того, уменьшение отношения внутреннего радиуса к наружному приводит к более сильному влиянию термогравитации на увеличение теплообмена и коэффициентов трения.

В четвертой главе приводятся,результаты исследования смешанной конвекции в вертикальных плоскопараллельных каналах с разнесенными пластинами. Такие каналы получают большое распространение в связи с положительными теплогидравлическими эффектами, возникающими в результате обновления на каждой последующей пластине гидродинамического и теплового пограничных слоев. Исследование гидродинамики и теплообмена выполнено на основе математической модели, приведенной во второй главе, где в граничные условия вводятся дополнительныв соотношения для пероза-дания профилей скоростей и температуры из-за смещения пластин вдоль потока. Здесь рассматриваются каналы с тонким! пластинами при отсутствии между ними продольного зазора. Такая идеализация шахматных каналов не должна сказаться на общих закономерностях, обнаруженных при вычислительном эксперименте, который проведен для пластин длиной 3, 6 и 10 мм и шириной канала 5 и 10 мм- По результатам исследований определены профили продольной скорости и температуры потока. Изменение тепло-гидравлических параметров получено в зависимости от геометри-

ческих характеристик каналов, действия термогравитации и критерия Прандтля. Установлено, что каналы с короткими пластинами имеют более высокие термогидравлические характеристики, квазистабилизация течения наступает начиная с третьей пластины, а низкие значения параметра смешанной конвекции практически' не сказываются на теплообмене. Из вычислительного эксперимента следует, что при оценке тепловой эффективности шахматных каналов лучше пользоваться безразмерным параметром плотности теплового потока, чем критерием Нуссельта, который монотонно стремится к предельному значению, лишая возможности выделить ту часть канала, которую можно считать эффективной.

В пятой главе рассматривается смешанная конвекция на начальном участке плоскопараллельного канала с периодически изменяющейся во времени температурой стенок. Этот вид теплообмена псе чаще встречается на практике, особенно в системах тер-мостатирования электрофизических объектов и при охлаждении элементов электронного оборудования. Для данно!! физической модели задачи характерным признаком является теплообмен на начальном участке, действие термогравитации и нестационарный характер процесса. Математическая модель сформулпрована на основе нестационарных уравнений пограничного слоя:

Рг 9Ро ах ^у ах А 0У2 •

ж + (6)

9Х 9>1

^ ЭЙ л.,,30 а. 1/^0 * Э20

рГ' зГои"эх" аТ =ТГ*"зу1" <7)

где Ро-йТ/Н^- критерий Фурье; 0,- температуропроводность,

Т - время. Краелне условия:

Ро = 0,' Х> О, Ц=\/ = 6 = Р = 0,

Ро>0, Х=0: У=р = 0 = о, (0)

Го >0, Х>0, У - 0, УМ :

где р ■ 2^а/0)Н - безразмерный параметр периода колебаний, 03 - частота, А - амплитуда колебаний. Безразмерная температура определена соотношением

0ЧТ-То)/(Тт-То). (9)

где Тт- некоторая средняя температура, около значений которой совершается колебание температуры поверхности; остальные безразмерные величины определяются как и во второй главе.

Решение уравнений математической модели получено неявным численным методом, который является дальнейшим обобщением метода, используемого в главах второй и третьей.

При высоких частотах изменения температуры стенок колебания температуры в пограничном слое ограничено тонкой областью, толщина которой пропорциональна (^/Ю)0,5. При таких условиях возникают большие трудности в оценке влияния колебаний на теплообмен. Учитывая специфику многих тепловых процессов, которым не свойственны скоротечные изменения, в работе рассматриваются колебания температуры поверхности в диапазоне частот

СО =(0,1 - юхг1.

В силу большого количества параметров при численном эксперименте основное внимание уделяется изучению влияния частоты колебаний на теплогидравлические характеристики течения. Анализ полученных данных позволяет отметить, что для выбранных частот поведение температур, скоростей и теплогидравлических параметров имеет периодический характер изменения с амплитудой, существенно зависящей от частоты колебания температуры поверхности и продольной координаты; при этом параметр смешанной конвенции играет незначительную роль. При низких частотах колебаний местные значения чисел Нуссельта зависят только от продольной координаты, оставаясь на уровне постоянных величин в каждом периоде колебания. Безразмерный параметр плотности теплового потока изменяется гармонически и для фиксированных значений параметра смешанной конвекции и чисел Прандтдя амплитуда колебания очень заметно уценивается с увеличением продольной координаты. Изучение влияния числа Прандтля показало, что рост теплоотдачи с увеличением Рг практически не зависит от частоты колебания.

Местные коэффициенты трения для чисто вынужденного движение не зависят от частоты колебаний, гто объясняется те!!, что в тлксы случае уравнпги? двигенил не еэпрячено с уравнением

энергии. Представленные в работе опыты для течения с параметром А = 500 показывают, что коэффициенты трения изменяются в интервале каждого периода колебания, причем принимают меньшие значения при более высоких температурах поверхности. Влияния амплитуды колебаний температуры поверхности не исследовались в работе, поскольку ее значение в гармоническом процессе носит, главным образом, масштабный'- характер ( А = 0,5).

Глава шестая посвящена нестационарному сопряженному теплообмену при внешнем обтекании' вертикальных плосних и цилиндрических стенок. Соответствующий" механизм теплообмена может иметь место при охлаждении проката, в камерах ускоренного остывания пакетов и рулонов, набранных из> тонкого листа, при охлаждении слитков и выращивании кристаллов. В' работе рассматривается нестационарный сопряженный теплообмен1 для стенок с мальм продольным градиентом температуры,- что позволило математическую модель теплообмена сформулировать следующими уравнениями:

движения = ™ энергии _._.гц_ +у.Ш)

5 lös -

теплопроводности - —= . — 112)

UrO и У з-

где Fo = критерий <>/рье; Ri= Gz /дй - число Ричардсо-

на; Д ; (f- толщина стенки; Ц - длина пластины;

Pes= Рг a/Qj » Q - безразмерная температура; Ö - индекс относящийся к стенке.

Уравнение неразрывности здесь не приводится. Краевые условия содержат начальные и граничные:

Fo=0- Qs4, 9 -0 •>

Fo>0, х = 0, У UM , V = Q =0;

Fo^O, Х>0, У = 0, УйН: U = V = 0,

lös я ' _аб_. <»>

0У2 ,X& * U VK-: ЗУ » Fo>0, y.x», -IIb0'

Fo >-0 , x>0, У = сл: LL = V = 0 =0

Безразмерные величины в приведенных соотношениях определены как • ^ *Т

U-û/ù0 , V = V-fe/CL0 , 0 = » X-X/L, y=y-ÎRe/L ,

где T0- начальная температура стенки ;Т<ю - температура жидкости за пределом пограничного слоя; черта - признак физической величины.

Аналогичным образом формулируется математическая модель для вертикальной цилиндрической стенки.

Система уравнений математической модели решалась при помощи неявного численного метода. По результатам численных исследований определялись профили скорости, температуры системы жидкость-стенка и теплогидравлические характеристики. В качестве теплогидравлических характеристик использовалось отношение нестационарных чисел Нуссельта к стационарным значениям; •числа Фресслинга и отношение числа Фресслинга к коэффициенту трения Fçj fi Re . Исследования показали, что все теплогидравлические характеристики существенно изменяются во времени, причем основное изменение наблюдается для значений критерия Фурье менее 0,1. Получено также влияние числа Прандтля на местные значения чисел Фресслинга. Результаты позволяют сделать вывод о том, что числа Фресслинга увеличиваются с ростом значения критерия Прандтля и продольной координаты X .

Определены теплогидравлические характеристики для завес-ного охлаждения пластины при параметрах пристеночной струи

V0 =» 2 и Т0= 0,5. Параметры пристеночной струи определены как отношение скорости струи к скорости набегающего потока и отношения температуры струи к начальной температуре пластины. При завесном охлаждении особо исследовался вопрос о влиянии числа Рейнольдса на отношение числа Фресслинга к коэффициенту трения. Результаты показали, что малым величинам чисел Рейнольдса соответствуют большие значения F g, /f Re .С течением времени это отношение падает от значений 0,2 для Fo - до

0,025 при Ро = 25,5. Эти данные соответствуют координате ' •

X = 0,19. Отметим также, что большие значения имеют место на передних участках пластины. Данные для завес-ного охлаждения пластины получены для = 0,1 и Рг = 1.

При исследовании сопряженного теплообмена цилиндра приводятся в основном данные для Ни / Мист в зависимости от критерия Рг , который принимал значения 0,1; 0,5; 10 и 100; остальные параметры имели следующие значения:' отношение внутреннего радиуса к наружному - 0,9; Ке =104; = 0. Полученные результату качественно согласуются с данными для пластины, количественное сравнение в работе не проводилось из-за много-параметричности задачи и исключения выводов по сугубо частным сравнениям.

В седьмой главе приводятся результаты экспериментального исследования естественной конвекции от наклонного цилиндра. Данные по теплоотдаче от наклонного цилиндра канадского исследователя Остхёйзена Р. относятся к ламинарной конвекции с числами Грасгофа, не превышающими 10^. В работе область исследований охватывала диапазон чисел Грасгофа от б'Ю4 до 10*°. Для проведения исследований был создан стенд, основным элементом которого являлся тонкостенный цилиндр-из-нержавеющей стали (рис.3) длиной I м и диаметром 0,02 м. По длине цилиадра имелось пять термопарных поясов для определения температуры поверхности. Тепловой поток определялся путем измерения величины электрической мощности, выделяемой в цилиндре. Предусматривались меры по снижению концевых потерь тепла, ликвидации конвекции внутри цилиндра, повышению точности измерения температуры и учету теплового излучения. Положение цилиндра в пространстве изменялось с помощью вращающейся рамки. Для получения корреляционной зависимости было проведено более 200 опытов. Обобщение результатов экспериментов выполнено по методике Остхёйзена. Корреляционное уравнение имеет следующий вид

^(бга 0 (14)

где - обобщенный параметр угла наклона цилинд-

ра; - угол наклона к горизонтальной линии; !_, - длина;

(1 - диаметр цилиндра.

г НС. ••• Схсиа гайгп:еги

1 - тэаооч'.ы оло.:енх; 2 - несуаая труба; 3 - токоподводязак айна; 4 - узел установки угла наклона; А,Б,3,Г,Д - теркопарнке пояса.

Коэффициенты в полученном корреляционно уравнении несколько выше, чем в уравнении Остхёйзена. Это обстоятельство можно объяснить тем, что исследования-охватывают часть переходной области естественной конвекции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТА РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований, направленных на повышение теплогидравлических характеристик матриц теплооб-менных аппаратов и охлаждающих устройств получено:

1. Разработана методика численного определения теплогидравлических характеристик коротких вертикальны* плоскопараллельных и кольцевых концентрических каналов для ламинарной смешанной конвекции.

2. Разработана методика численного моделирования с целью определения теплогидравлических характеристик при внешнем обтекании плоских и цилиндрических стенок для нестационарного сопряженного теплообмена.

3. Проведены численные исследования гидродинамики и теплообмена и определены теплогидравлические характеристики плоскопараллельных и кольцевых каналов в зависимости от параметра смешанной конвекции С Л = 0; 100; 500) и критерия Прандтля ( Рг = 0,7; Ю; 100).

4. Выполнено численное моделирование нестационарного сопряженного теплообмена при внешнем обтекании-плоских и цилиндрических стенок и определены теплогидравлические-характеристики с учетом влияния .термогравитации ( Ri = 0;. 0,Х; I) , чисел Рейнольдса ( Re = I02; 5'102; IO3; I04) и Праяд*ля ( Рг= 0,1; 0,5; I; 10; 100).

5. На основании численного исследования установлено вли--яние геометрических параметров шахматных каналов и термогравитации ( А = 0; 50; 250) на теплогидравлические характеристики каналов с_разнесенными пластинами.

6. Исследовано влияние частоты колебания температуры поверхности ( LO = 0,1; I; 10 с"1) на теплогидравлические характеристики плоскопараллельного канала.

7. Показана целесообразность использования безразмерного параметра плотности теплового потока для определения тепловой эффективности шахматных каналов.

8. Разработана методика и проведен численный эксперимент с целью определения теплогидравлических характеристик для за-весного охлаждения пластины в условиях сопряженного теплообмена.

9. Экспериментально получено корреляционное уравнение для теплоотдачи от наклонного цилиндра к спокойному воздуху в диапазоне чисел Грасгофа от 6'Ю^до 10^.

Ответственный за выпуск - доктор техн.наук Братута Э.Г. Подписано к печати 10.(07.91г. . Бумага типографская № I Заказ 1682 . Формат 60x84 1/6. Тираж 120 Экз. Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 0,96

Изготовлено на ротопринте в типографии ИПМал АН УССР ЗЮ046, Харьков-46, ул.Дм.Пожарского, 2/10

s / < . / /; i