СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Список используемых обозначений............................. 4-7
Введение.................................................... 8-11
1. Глава 1. Устойчивость движения при естественной
конвекции и естественной циркуляции.
1.1. Естественно-конвективный теплообмен в истории теплофизики.
1.1.1. Общие положения....................................... 12-14
1.1.2. Историческое развитие................................. 14-17
1.2. Устойчивость движения при естественной конвекции.
1.2.1. Внутренние задачи естественной конвекции......... 18
1.2.2. Исследования течения в прямоугольных полостях 18-20
1.2.3. Течение между вертикальными стенками.................. 20-22
1.2.4. Течение между горизонтальными стенками........... 22 - 24
>
1.2.5. Течение в горизонтальном круговом цилиндре 24 - 26
1.2.6. Смешанная конвекция в вертикальном канале 27-32
1.3. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции. Постановка задачи исследования.
1.3.1. Отличие естественной конвекции и естественной циркуляции.............................................. 33
1.3.2. Неустойчивость в двухфазных потоках................... 34-39
1.3.3. Устойчивость естественной циркуляции в теплообменнике, меняющем пространственное
положение.......................................... 40 - 47
2. Глава 2. Описание экспериментальной установки,
методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.
2.1. Выбор величины характеризующей устойчивость
• естественной циркуляции, определение параметров,
от которых зависит устойчивость естественной циркуляции.. 48 • 2.2. Описание экспериментальной установки.
2.2.1. Однотрубный теплообменник........................ 49-54
2.2.2. Двухтрубный теплообменник........................ 54 - 55
2.2.3. Установка для визуального исследования явления опрокидывания естественной циркуляции................... 55-59
2.3. Методика проведения эксперимента.
2.3.1. Этапы проведения эксперимента.................... 60 - 64
2.3.2. Особенности методики проведения эксперимента
для двухтрубного теплообменника................... 64
2.3.3. Определение температуры в эксперименте........... 64 - 65
2.3.4. Результаты экспериментального определения
тепловых потерь................................... 65-70
2.3.5. Определение гидравлических потерь в элементах экспериментального контура.............................. 70-71
2.4. Методика обработки результатов экспериментов.
2.4.1. Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных................................ 72 - 75
2.4.2. Выбор теплофизических свойств среды, необходимых для обработки экспериментальных
данных............................................ 75
2.4.3. Определение погрешностей измерений............... 75-77
3. Глава 3. Результаты экспериментальных исследований
устойчивости естественной циркуляции внутри горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.
3.1. Оценка основных параметров движения в эксперименте 78 - 80
3.2. Динамика процесса запуска, развития и опрокидывания естественно-циркуляционного движения циркуляции.
, 3.2.1. Динамика запуска.................................. 81 - 83
3.2.2. Динамика изменения характера движения
воды при повороте теплообменника.................. 84-90
3.2.3. Динамика опрокидывания........................... 90 - 100
3.2.4. Зависимость угла опрокидывания от
геометрических параметров теплообменника.......... 100 -104
3.3. Результаты дополнительных исследований.
3.3.1 Влияние скорости поворота теплообменника.......... 105-106
3.3.2. Влияния диаметра вытяжной шахты на
устойчивость естественной циркуляции.............. 106 -107
3.3.3. Исследование взаимного влияния труб
на двухтрубном теплообменнике..................... 107 - 111
3.3.4. Использование газоотвода......................... 111
3.4. Результаты визуального исследования
процесса естественной циркуляции.......................... 112-119
4. Глава 4. Определение угла опрокидывания.
4.1. Физическая модель...................................... 120 -122
4.2. Расчетная формула для угла опрокидывания............... 123 -125
4.3. Математический анализ течения жидкости................... 126-132
4.3. Получение дополнительных параметров по опрокидыванию естественной циркуляции.
4.3.1. Определение нижней границы
опрокидывания естественной циркуляции............. 133
4.3.2. Определение угла опрокидывания для
многотрубного теплообменника...................... 133- 135
4.4. Сопоставление расчетных формул с
экспериментальными данными.............................. 136- 139
Заключение.................................................. 140-141
Приложения.................................................... 142-175
Список литературы........................................... 176-180
-4-
Список используемых обозначении
Общие обозначения
т - масса, кг; w - скорость среды, м/с;
G - расход среды, кг/с;
Т - абсолютная температура, К;
/ - температура, °С;
В - коэффициент объемного расширения среды, 1/К; а - коэффициент температуропроводности, м /с; с - удельная теплоемкость среды, Дж/кг-К;
Q - тепловой поток, Вт; q - плотность теплового потока, Вт/м ; р - давление среды, Па;
Ар - напор, Па;
U - электрическое напряжение, В;
I - сила тока, А;
Я - энтальпия, Дж;
g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с ; h - высота, проекция длины трубы на вертикаль, м; d - диаметр, м;
5 - площадь сечения, м ;
/ - длина тела, м;
A L, А Ь\ - длины не обо1реваемых частей теплообменника, м; L - длина обогреваемой части теплообменника, м; b - расстояние между параллельными трубами, м;
Аг - число Архимеда;
Gr - число Грасгофа;
-5-
Рг - число Прандтля;
И.а - число Рэлея;
Яе - число Рейнольдса; х - показания прибора;
ОХ, ОУ, 07 - обозначение соответствующих осей; т, п,к- постоянные безразмерные числа;
М- класс точности прибора;
/V- верхний предел измерений прибора; е - симплекс.
Греческий алфавит 8- относительная погрешность измерений;
0 - удельный объем среды, м3/кг;
1 - сумма величин;
А - разность, абсолютная погрешность измерений;
/ - угол поворота в плоскости сечения трубы, град; р - угол поворота в плоскости перпендикулярной сечению трубы, град; в - разность температур, К; р - плотность среды, кг/м3; ф - напорное паросодержание;
£ - коэффициент сопротивления;
£ - коэффициент местного сопротивления;
V - коэффициент кинематической вязкости среды, м /с; р - коэффициент динамической вязкости среды, Н-с/м ; г - время, с.
Индексы
0 - значение угла в градусах;
-6-
oo - отнесено к участку среды, вдали от участка нагревания;
1 , ср- среднее значение величины;
О - отнесено к начальному значению величины, к входу в обогреваемый участок;
d - отнесено к внутреннему диаметру;
G - отнесено к относительной погрешности расхода;
L - отнесено к выходу из обогреваемого участка;
т, п, к, / - порядковые номера;
max - отнесено к максимальному значению величины;
Q - отнесено к относительной погрешности теплового потока; v - отнесено к объему;
у - отнесено к проекции величины на ось OY; z - отнесено к проекции величины на ось OZ; в - отнесено к воде при насыщении; воз - отнесено к воздуху; вт - отнесено к вытяжной шахте; вх - отнесено к входу; вых - отнесено к выходу; г - отнесено к горизонтальному участку; заст - отнесено к ситуации застоя; изм - отнесено к измеренному значению величины; из - отнесено к изоляции; кв - отнесено к местному сопротивлению; кр - отнесено к критическому значению величины; л - отнесено к прямому участку; м - отнесено к металлу; н - отнесено к начальному участку; обр - отнесено к напору в обратном направлении; ь общ - отнесено к общему значению величины;
-7-
окр - отнесено к окружающей среде;
» опр - отнесено к явлению опрокидывания;
отс - отнесено к точке отсчета; п - отнесено к пару при насыщении; пб - отнесено к объему парового пространства барабана; пит - отнесено к питательной воде; по - отнесено к высоте после определяемого участка; пот - отнесено к потерям величины; пр - отнесено к напору в прямом направлении; пч - отнесено к сумме объемов паросодержащих частей; тм - отнесено к термометру; тп - отнесено к термопаре;
тр - отнесено к трубе; отнесено к потерям давления на трение;
уд - удельное значение величины;
х,у-отнесено к проекциям величины на ось ОХ,ОУ;
эк - отнесено к экономайзеру.
»
-8-
ВВЕДЕНИЕ
' В числе задач, с которыми сталкивается современная теплофизика,
существует проблема расчета и эффективного использования естественной конвекции, которая возникает в аппаратах, где присутствуют пространства, заполненные жидкой или газообразной средой с выраженной температурной неравномерностью. Естественная конвекция и естественная циркуляция возникает в неоднородном поле массовых сил. Особенно большое значение проблема естественной конвекции приобретает для современной техники, в частности, для атомной энергетики. Появились многочисленные приложения теории естественной конвекции в энергетике, химической технологии.
В настоявшее время при конструировании теплообменных аппаратов важным фактором является экономия электроэнергии и надежность работы. Этим факторам, несомненно, отвечают теплообменники, в • которых используется механизм естественной конвекции или иначе, естественной циркуляции теплоносителя, например, системы пассивного расхолаживания ядерных реакторов и пр. Применение теплообменных систем, работающих на естественной циркуляции очень разнообразно. Необходимо отметить, что они в ряде случаев используются в машинах и агрегатах, которые могут менять свое пространственное положение. При этом возникает проблема устойчивости циркуляции и проблема методики ее определения и расчета.
В литературе практически не приводится сведений по определению устойчивости естественной циркуляции, за исключением рассмотрения устойчивости движения теплоносителя в паровых котлах и т.п. Отсутствие данных для расчета устойчивости естественной циркуляции требует экспериментального и теоретического изучения.
Все вышеизложенное характеризует актуальность задачи > исследования естественно-конвективного и естественно-циркуляционного
-9-
движения в теплообменных аппаратах. В частности, важна задача исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, так как данные теплообменники могут использоваться на установках и агрегатах, меняющих свое пространственное положение. Существенным является вопрос о влиянии таких изменений на устойчивость течения в данных теплообменниках: при изменении пространственного положения возможна ситуация смены направления движения на противоположное, т.е. опрокидывания циркуляции.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование явления опрокидывания циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой в зоне ламинарного течения.
В первой главе приводится обзор литературы, в котором отражено состояние исследований естественной циркуляции и естественной конвекции. Приведены примеры исследования естественной циркуляции и методы определения ее параметров.
Во второй главе приводится описания опытной установки, для исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, методики проведения экспериментов и обработки полученных результатов.
В третьей главе приведены результаты экспериментов по определению угла опрокидывания циркуляции в зависимости от геометрических параметров установки и тепловой нагрузки. На основе визуализации процесса опрокидывания дано качественное описание динамики развития неустойчивости и последующего опрокидывания естественной циркуляции.
В четвертой главе приводятся физическая и математическая модели, на основании которых получены формулы для расчета угла
»
- 10-
опрокидывания, дано сопоставление экспериментальных данных с I полученными по формулам.
Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:
- проведены экспериментальные исследования по определению динамики развития процесса опрокидывания естественной циркуляции теплоносителя при изменении пространственного положения теплообменника.
- выявлена неустойчивость течения воды при углах близких к опрокидыванию, которая объясняет картину развития процесса опрокидывания и пульсации температур на входе и выходе.
- определены границы эффективного использования естественной циркуляции воды в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при изменении его пространственного положения.
Практическая ценность работы:
- на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета угла опрокидывания естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой.
- полученные результаты использованы в конструировании теплообменных аппаратов с естественной циркуляцией охлаждающей воды.
Автор защищает:
- результаты экспериментального исследования устойчивости естественной циркуляции горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой в ламинарной зоне течения при изменении его пространственного положения.
- физическую и математическую модели и разработанную на их основе методику расчета угла опрокидывания естественной циркуляции для горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.
-11 -
По материалам, представленной, диссертационной работы имеется 5 > публикаций: в сборнике Научных трудов Калужского государственного
педагогического университета им. К.Э. Циолковского; в сборнике трудов XV Школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках»; в сборнике трудов Четвертой Национальной Конференции по Теплообмену (2-е публикации), в журнале «Известия Тульского государственного университета».
Диссертационная работа была выполнена в период 2003 - 2006 г. в лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского под руководством доктора технических наук, профессора Мильмана О.О., которому автор выражает глубокую благодарность.
I
-12-
Глава 1. Устойчивость движения при естественной конвекции и естественной циркуляции.
1.1. Естественно-конвективный теплообмен в истории
теплофизики.
1.1.1. Общие положения.
Под конвекцией теплоты понимается перенос теплоты при перемещении микрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция возможна только в текучей среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды [1] Если движение жидкости или газа, полностью обусловлено внутренними силами системы, то такое движение называют свободной или естественной конвекцией. Необходимо отметить, что существует и вынужденная конвекция, при которой скорость жидкости определяется внешними силами.
Главным же условием свободно конвективного движения является неравномерность распределения плотностей, которая определяется неравномерностью температурного поля. При неравномерности поля плотностей движение возникает под действием подъемной (архимедовой) силы. Как и при принудительном движении, движение жидкости под действием подъемных сил может быть как турбулентным, так и ламинарным. Различают свободную конвекцию в неограниченном объеме жидкости, и в открытых и закрытых полостях (ограниченном объеме). В том и в другом случаях свободная конвекция развивается в областях с неоднородным распределением температуры. Последнее обычно возникает вблизи поверхности нагретого тела, температура которого выше или ниже температуры жидкости вдали от него. Если нагретое тело находится в неограниченном объеме жидкости, то слой более нагретой жидкости,
движется (как правило) вверх вдоль поверхности тела, и образует над поверхностью тела восходящую струю теплой жидкости. Одновременно с этим жидкость из окружающего пространства непрерывно притекает в зону конвекции вблизи поверхности тела, восполняя массу жидкости, поднимающуюся вверх. Другой причиной возникновения в жидкости неоднородного поля температуры может явиться неоднородное распределение внутренних источников теплоты [2].
В большей степени нас интересует движение жидкости, определяемое свободной конвекцией, в ограниченных областях. Определенная трудность в исследовании поля скоростей при свободной конвекции (в отличие от вынужденной конвекции) заключается в том, что оно зависит от поля температур, которое при решении задач о движении не может быть заданным изначально. Поэтому движение жидкости и перенос теплоты при свободной конвекции тесно связаны и могут рассматриваться лишь совместно. Необходимо отметить, что для свободно-конвективных движений характерны сравнительно малые скорости, что позволяет в подавляющем большинстве случаев пренебречь влиянием сжимаемости и диссипации энергии [3].
Для оценки гравитационной силы, заставляющей жидкость двигаться рассмотрим ситуацию, когда в однородной холодной жидкости существует более теплая область. Обозначим р0 - плотность холодной невозмущенной жидкости, а р - плотность локальной области более нагретой жидкости, тогда подъемная сила, действующая на единицу объема в поле земного тяготения, равна (р0 - /?)#, где g - ускорение свободного падения.
Разность плотностей связана с коэффициентом объемного расширения жидкости В, который равен
-14-
При использовании (1.1), формула для подъемной силы, > действующей на единичный объем, принимает вид р^(Т -Г0), где Т -
температура тела. Отсюда следует, что подъемная сила зависит от В, g, Г-Г0, помимо них, в общем случае, от линейных размеров системы, т.к. формула приведена для единицы объема [4].
1. 1 .2. Историческое развитие.
Вопрос исторического развития представлений о конвективном теплообмене представлен в [5]. Тепловые явления и в частности передача тепла конвекцией с давних времен встречалась в разных проявлениях явлений природы и быта. Однако научное представление о тепловой конвекции было выдвинуто лишь в 18 веке. Первое упоминание о проявлении конвективных явлений в природе встречается в сочинении М.В.Ломоносова от 1753 года «Слово о явлениях воздушных от Електрической силы происходящих», где он описал тепловую конвекцию и многочисленные ее проявления, в том числе возникновение и развитие конвективных движений в атмосфере.
В 1817г. Дюлонгом и Пти были получены экспериментальные данные по распределению температуры в свободном потоке вблизи поверхности Земли в неподвижной атмосфере [6]. Исследование тепловых двигателей дало возможность обобщить полученный данные на целый класс явлений. В 1879г. А.Обербеком была составлена система уравнений свободной конвекции для метеорологии в линейном приближении расчета подъемной силы [7]. Накопленный практический материал, позволил выйти на уровень теоретического решения многих простых задач конвективного теплообмена. Так в 1881г. Л.Лоренц решил упрощенную задачу, получив достаточно точные результаты для теплоотдачи с вертикальной поверхности [8]. Важным этапом в решении многих теоретических и практических задач стала использование теории
»
-15-
размерности и подобия, над которой в теоретическом плане работали У.Релей, Л.С.Эйгенсон и др.
Ж.Буссинеск (1901 - 1903г.) методами теории подобия определил критерии, задающие условия свободно - конвективного теплообмена в широкой области изменения чисел Рг [9 - 12]. Им же были получены критериальные зависимости расчета теплоотдачи с поверхности. Впервые имя Буссинеска для обозначения этих уравнений было введено английским ученым Дж.У.Рэлеем в 1916г. [13]. Подробное исследование уравнений в приближении Буссинеска для горизонтального слоя жидкости было выполнено значительно позднее в 1960г. Из теоретических работ следует отметить метод теплового слоя (И.Ленгмюр, 1912г. [14], где впервые использовалось представление о пограничном слое на осесимметричном теле. Б.Б. Рэю удалось сфотографировать такой слой вблизи твердой поверхности, помещенной в жидкость [15]), решение задачи теплообмена на вертикальной поверхности (В.С.Кимбалл и В.Дж. Кинг, 1932г. [16]) и одномерные методы расчета (В.Нуссельт и В.Юргес, 1928г. [17]). Эксперименты выполнялись в основном на воздухе, и результаты представлялись в размерном виде, хотя уже в 1921г. Г.Гребер [18] ввел критерии Грасгофа и Прандтля и методом размерности установил «закон 1/4» для ламинарного режима.
Большая роль в изучении конвекции принадлежит отечественным ученым. В нашей стране первые исследования по свободной конвекции на вертикальной поверхности, вертикальном и горизонтальном цилиндрах начались в 1925г. в Государственной физико - технической лаборатории М.В.Кирпичева с целью изучения работы вертикального водотрубного котла [19,20]. В дальнейшем эти опыты разрослись в целую серию экспериментов. Эти первые теоретические и экспериментальные исследования проводились Л.С.Эйгенсоном, В.С.Жуковским,
>
- Київ+380960830922