автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Влияние переменности свойств жидких и газообразных теплоносителей на коэффициенты теплоотдачи при установившемся ламинарном режиме в трубчатых теплообменниках

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. Анализ зависимостей теплопроводности и вязкости от температуры и давления с помощью релаксационной модели.

1.1. Основы релаксационной модели.

1.2. Анализ коэффициентов теплопроводности и вязкости воды и водяного пара в зависимости от температуры и давления.

1.3. Анализ коэффициентов теплопроводности и кинематической вязкости воздуха в жидком и газообразном состояниях.

ГЛАВА 2. Анализ влияния переменности теплофизических свойств на теплоотдачу в трубчатых теплообменниках при ламинарном течении.

2.1. Литературный обзор.

2.2. Теплообмен при гидродинамически установившемся течении в круглой трубе.

2.3. Гидравлические сопротивления при ламинарном движении жидкости в трубах.

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи при ламинарном течении на стабилизированном участке трубчатого теплообменника.

3.1. Конструкция лабораторного стенда для исследования теплообмена.

Анализу работы теплообменных аппаратов различных типов и назначения посвящено огромное количество работ. Однако сложность и многообразие конструкций и процессов, протекающих в теплообменниках, не дает возможности сделать заключение об исчерпанности темы. Актуальность проблемы как в научном, так и в практическом значениях очевидна. Оптимальное конструкционное и режимное исполнение любого теплообменного аппарата определяет возможность его практического применения, включая решение вопросов теплоснабжения и энергосбережения. Широкое применение теплообменные аппараты находят и в легкой и текстильной промышленности. При наличии большого числа исследований теплообменников, расчет и проектирование их, как правило, выполняются при средних значениях теплофизических параметров. Хотя учет их температурной зависимости достаточно детально рассматривался в ряде работ, решение проблемы сводится в основном к введению поправок в соответствующие критериальные уравнения.

Применение релаксационной модели процессов переноса тепла и импульса позволяет получить достаточно точные полуэмпирические закономерности температурной зависимости теплофизических свойств. Подстановка этих зависимостей в критериальные уравнения позволяет выполнить решение протекания процессов в теплообменниках с учетом переменности свойств, что выполнялось в ряде известных работ.

В данной работе была поставлена задача установить, что дает учет переменности теплофизических свойств при определенных режимах их работы для конкретных типов теплообменных аппаратов.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное установление степени влияния изменения температуры и давления теплоносителя для более качественного проектирования теплообменных аппаратов в легкой и текстильной промышленности. В качестве рабочих тел были выбраны вода, водяной пар, жидкий воздух и газообразный воздух. Для этих веществ на основе релаксационной модели были построены зависимости теплопроводности и вязкости от температуры и давления, а затем с помощью специальной программы были рассчитаны коэффициенты теплоотдачи. Расчет был проведен как при средних значениях теплофизических параметров, так и при учете исчерпаемости свойств. Полученные решения были сравнены с экспериментальными данными на созданной для этой цели установке с помощью тепловизионной системы ThermaCAM SC 3000.

Научная новизна диссертации заключается в:

- построении с помощью релаксационной модели зависимости коэффициентов теплопроводности и вязкости от давления; теплофизическом модельном обосновании зависимости теплопроводности и вязкости от температуры и давления;

- определении на основе релаксационной модели изменения чисел Прандтля от температуры и давления.

Анализ на основе релаксационной модели изменения числа актов рассеяния у воды и жидкого воздуха с ростом давления при постоянных температурах позволил предположить упорядочение структуры в них, вызванное увеличением давления.

Достоверность достигнутых результатов подтверждается хорошим совпадением эмпирических данных, полученных на лабораторной установке данными, полученными расчетным путем, а также сравнением этих данных с характеристиками установок, применяемых для исследования теплоотдачи в трубах при ламинарном режиме и известных из литературных источников.

Практическая ценность работы заключается в установлении теоретически обоснованного подтверждения положения, заключающегося в том, что значения коэффициентов теплоотдачи в трубчатых теплообменниках при ламинарном течении, установленные экспериментально и рассчитанные с учетом температурной зависимости теплофизических свойств, превышают на величину ~ 25% значения, рассчитанные при средних значениях теплопроводности и вязкости.

Это, естественно, позволяет при заданных значениях теплового напора при проектировании создавать более компактные и энергоемкие трубчатые теплообменные аппараты, использующие рассмотренные в работе рабочие тела.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были опубликованы в следующих печатных работах:

1. Сравнительный анализ методов интенсификации теплоотдачи при кипении теплоносителей. Сборник научных трудов аспирантов. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002. Выпуск 5, с.115-121.

2. К вопросу об оптимизации режимных и конструктивных параметров контура промежуточного теплоносителя испарительных термосифонов. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2001) 27-28 ноября 2001 г. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002, с.168-169.

3. Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001,-233 е., ил. (монография в соавторстве) и докладывались на научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 2000-2002 гг.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и приложения.

103 ВЫВОДЫ

1. На основе релаксационной модели теплопроводности и вязкости получили экспериментальные зависимости влияния температуры и давления для воды , водяного пара, жидкого и газообразного воздуха на коэффициенты рассеяния в виде п = А*ТХ и m = В*ТУ.

2. Показано, что с ростом температуры и давления для воздуха в жидкой фазе значения пит увеличиваются; для газообразного воздуха с ростом температуры эти коэффициенты уменьшаются, а с ростом давления -увеличиваются; для воды с ростом давления значения тип уменьшаются, а с ростом температуры - увеличиваются; для водяного пара параметры п и m с ростом давления увеличиваются, а с ростом температуры - уменьшаются.

3. Рассчитанные на основе релаксационной модели числа Прандтля для воды, водяного пара, жидкого и газообразного воздуха с увеличением температуры уменьшаются, а с ростом давления - увеличиваются.

4. Для экспериментального измерения коэффициента теплоотдачи в трубчатых теплообменниках была создана установка, позволяющая проводить измерения полей температур на границе «рабочее тело» - стенка с помощью тепловизионной системы Thermo САМ 3000.

5. Экспериментальные исследования коэффициентов теплоотдачи для ламинарного течения воды на этой установке показали, что полученные значения критерия Нуссельта и коэффициентов теплоотдачи в реальных условиях,

104 учитывающих температурные изменения теплофизических свойств, отличаются от расчетных на ±10%.

6. Экспериментально подтверждено, что отличие реальных коэффициентов теплоотдачи от теоретических объясняется пульсациями температуры жидкости в пристеночном слое, вызванными диффузионными процессами.

7. Результаты расчета теплообменных аппаратов текстильной промышленности с учетом переменности свойств рабочих тел показали, что отличие в коэффициентах теплопередачи по сравнению с расчетными осредненными значениями достигает 25% в сторону увеличения.

105

1. Ривкин C.J1. Термодинамические свойства газов,-М.: Энергия, 1973.

2. Варгафтик Н.Б. Справочник по физическим свойствам газов. М.: Наука, 1973.

3. Булекова Т.А., Воронович С.А., Жмакин Л.И. и др. Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла, Под ред. профессора А.С. Охотина. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001.

4. Охотин А.С., Жмакин Л.И., Марюшин Л.А., Увдиев Д.Я. Процессы и механизмы переноса. М.: Компания Спутник +, 1999.

5. Лыков А.В. Тепломассообмен, справочник. -М.: Энергия, 1972.

6. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

7. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена, ч. 1. М.: Высшая школа, 1970.

8. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.

9. Охотин А.С., Жмакин Л.И. К вопросу о механизмах переноса энергии и импульса, ИФЖ, т.70,1997.

10. Ю.Кирилин В.В., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Энергия, 1968.

11. П.Сычев В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. М.: Наука, 1981.

12. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

13. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970.

14. Жданов В.М., Алиевский М.Я. Процессы переноса и релаксации в молекулярных газах. М.: Наука, 1989.

15. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. -М.: Мир, 1968.

16. Таблицы физических величин. Справочник под редакцией И.К.

17. Кикоина. -М.: Атомиздат, 1976. 17.0хотин А.С., Марюшин JT.A., Жмакин Л.И. Теплопроводность. Модели, механизмы, экспериментальные данные. М: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2000.

18. Цедерберг Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей. M.-J1.: Госэнергоиздат, 1963.

19. Филиппов Л.П. Прогнозирование тепло физических свойств, жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат.

20. Роберте Дж. Теплота и термодинамика. M.-JL: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1950.

21. Камья Ф.М. Импульсная теория теплопроводности. М.: Энергия 1972.

22. Геращенко О.А. Основы тепломатерии. Киев.: Наукова Думка. 1971.

23. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостей. Издательство Московского Университета, 1970.

24. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические приборы и измерения. -М.: Высшая школа, 1972.

25. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М.-Л.: Машгиз, 1957.

26. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М,-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1953.

27. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967.

28. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

29. Шнайдер П., Инженерные проблемы теплопроводности. М.: Издательство иностранной литературы, 1960.

30. ЗО.Эккерт Э.Р., Дрейк P.M., Теория тепло-и массообмена. М.:

31. Госэнергоиздат, 1961. 31.Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача, издание второе. -М.: Энергия, 1969.

32. Тарг С.М., Основные задачи теории ламинарных течений. М.: Гостехиздат, 1951.

33. Бретшнайдер С., Свойство газов и жидкостей. М.: Химия, 1968.

34. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А, Ярхо С.А., Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990.

35. Александров А.А., Международное уравнение состояния воды и водяного пара. М.: Теплоэнергетика, 1997.

36. Ид А.Дж., Свободная конвекция. М.: Мир, 1970.

37. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1972.

38. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: Издательство стандартов, 1976.

39. ГОСТ Р50431-92. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. М.: Издательство стандартов, 1993.

40. Долинский Е.Д., Обработка результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1973.

41. Иванов Г.М., Кузнецов Н.Д, Чистяков B.C., Технические измерения и приборы, М.: Энергоатомиздат, 1984.

42. Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие/ под ред. А.С. Клюева. М.: Энергоатомиздат, 1994.

43. Преображенский В.П., Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.

44. Приборы и средства автоматизации. Приборы для измерения и регулирования температуры. Отраслевой каталог. М.: Информприбор, 1992, 1994.

45. Линевиг Ф., Измерение температур в технике: Справочник: перевод с немецкого. М.: Металлургия, 1980.46.0сипова В.А., Экспериментальное исследование методов теплообмена, третье издание. М.: Энергия 1979.

46. Температурные измерения: Справочник / О.А. Геращенко, А.Н. Гордов, В.И. Лах и др. Киев.: Наукова думка, 1989.

47. Голубев И.Ф., Гнездилов Н.Е., Вязкость газовых смесей. М.: Издательство стандартов, 1971.

48. Платунов Е.С., Буравой Е.С., В.В. Курепин, Г.С. Петров, Теплофизические измерения и приборы. Под общей редакцией Е.С. Платунова. JI.: Машиностроение, 1986.

49. ГСССД 8-79. Воздух жидкий и газообразный. Плотность, энтальпия, энтропия, и изобарная теплоемкость при температурах 70-1500 К и давлениях 0,1-100 МПа. Таблицы стандартных справочных данных. -М.: Издательство стандартов, 1980.

50. ГСССД 98-86. Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0-800°С и давлениях 0,001-1000 МПа, Таблицы стандартных справочных данных. М.: Издательство стандартов, 1986.

51. Методы измерения температур. Сборник статей под редакцией В.А. Соколова, 4 1,2,- М.: Издательство иностранной литературы, 1954.

52. Гордов А.Н., Температурные шкалы. М.: Стандартгиз, 1966.

53. Температура и ее измерение. Сборник докладов под редакцией А. Арманда, К. Вульфсона, Перевод с английского. М.: Издательство иностранной литературы, 1960.

54. ГОСТ 12442-66. Тепловые измерения. М.: Стандартгиз, 1966.

55. Голубев И.Ф. Вязкость газов и газовых смесей. М.: Физматгиз, 1959.

56. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.

57. Radford W., Murphy D., Ray M. et al. silicon microbolometers uncooled IRFPAs with on-chip offset correction // Infrared Detectors and Focal Plane Arrays IV /Ed. E. L. Derenmk, R. E. Sampson; Proc. SPIE. 1996. 2746. P. 82.

58. Ковалев А.В., Федчишин В.Г., Щербаков М.И. Тепловидение сегодня // Специальная техника. 1999. № 3.

59. Курбатов JI.H. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра. М: Изд.-во МФТИ, 1999.

60. Справочник по инфракрасной технике. / Под ред. У. Волфа, Г. Цисиса. Том 4. Проектирование ИК-систем. -М: Мир, 1999.

61. Михеев М.А., Филимонов С.С., Хрусталев Б.А. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления при движении воды в трубах. См. настоящий сборник

62. Казин М.Г. Исследование теплообмена при ламинарном течении масла в прямой трубе. Канд. дисс., Нижний Тагил, 1949.

63. Петухов Б.С. Теплоэнергетика, № 9, 1954.

64. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., Изд. иностр. лит., 1956.

65. Михеев М.А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, М., 1956.

66. Петухов Б. С., Краснощеков Е.А. Сб. Теплопередача и тепловое моделирование. М., Изд. АН СССР, 1959.

67. Магомедов А.Д. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления вязких жидкостей в трубах. Канд. дисс., ЭНИН АН СССР, М., 1954.

68. Аладьев И. Т. Изменение коэффициента теплоотдачи по длине трубы. Канд. дисс., ЭНИН АН СССР, 1949.

69. Эккерт Э.Р. Введение в теорию тепло- и массообмена, ГЭИ, 1957.

70. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене, ИИЛ, 1958.

71. Shapiro A., Siegel R., Юте S.J. Proc. Of Sec. US National Congress of Applied Mechanics, 1954.

72. Ma Тун цзе. Развитие процесса теплоотдачи в трубах при ламинарном режиме. М.АН СССР, 1962.