Экспериментальное исследование тепло- и массообмена в диаметральных дисковых вентиляторах

Оглавление
Введение 3
1. Классификация. Области применения гидравлических машин
1.1. Г идравлические машины: насосы и двигатели 14
1.2. Области промышленного использования лопастных насосов 18
1.3. Диаметральные вентиляторы 19
1.4. Центробежные дисковые вентиляторы 23
1.5. Диаметральные дисковые вентиляторы (ДЦВ) 30
1.6. Постановка задачи. Цель исследования 34
2. Экспериментальное исследование газодинамики течения в диаметральном дисковом вентиляторе
Введение 36
2.1. Исследование структуры течения в гидролотке 41
2.2. Интегральные характеристики.
2.2.1. Установка, постановка эксперимента 46
2.2.2. Методика исследования 47
2.2.3. Результаты 49
2.3. Исследование дроссельных характеристик 58
2.4. Выводы 61
3. Исследование теплообмена в ДДВ
Введение 62
3.1. Исследование методом жидкокристаллической гермшрафии 65
3.1.1. Исследуемая конфигурация 66
3.1.2. Экспериментальная методика и результаты 67
3.1.2. 1. Металлическая модель 68
3.1.2.2. Модель из теплоизолятора 73
3.2. Исследование характеристик теплообмена
3.2.1. Установка, постановка эксперимента 78
3.2.2. Результаты 82
Выводы 84
4. Опытная проверка результатов
Введение 85
4.1. Расчет параметров опытной установки 88
4.2. Конструктивные особенности опытной установки 89
4.3. Лабораторные испытания установки. Сопоставление
результатов с расчетом (п. 4. Г) 92
4.4. Испытания установки в ходе опытной эксплуагации .96
Выводы 100
Заключение 101
Литература 103
Приложения 117
ВВЕДЕНИЕ
Диаметральные дисковые вентиляторы являются машинами трения и удачно сочетают в себе удобство монтажа в систему, малошумность и возможность осуществления нескольких функции в одном устройстве. В настоящей работе будет рассмотрена возможность применения таких аппаратов для вентиляции и кондиционирования производственных помещений.
В самом деле, рабочая среда (например воздух) движется по проточному тракту вентилятора иод действием сил трения в пограничных слоях на поверхностях дисков. Трение газа об ограждающие поверхности корпуса создает' основные внутренние потери энергии в вентиляторе. И те и другие поверхности обмениваются импульсом с потоком и могут быть использованы для теплообмена. В результате естественным образом объединяются две основные функции систем кондиционирования. Дополнительным положительным свойством подобных устройств является создание вращающимися дисками поля центробежных сил, под действием которых гаггенсифицируются процессы радиального переноса, и становится возможна сепарация твердой и (или) жидкой фазы из газового потока.
Зависимость рабочих характеристик диаметральных дисковых вентиляторов от основных геометрических и кинематических параметров устройства изучена в настоящее время в ограниченном объеме. Исследованию этой зависимости с целью получения эмпирических методов расчета важнейших для проектирования характеристик тепло- и массообмена и посвящена настоящая работа.
Т. о. исследование касаегся интегральных аэродинамических и теплообменных характеристик диаметрального дискового
4
вентилятора - теплообменника применительно к возможному его использованию в системе кондиционирования.
Актуальность темы
Среди большого многообразия типов и разновидностей вентиляторов существуют диаметральные дисковые вентиляторы. Вентиляторы этого типа имеют ряд важных характерных особенностей, делающих их применение в некоторых случаях целесообразным и предпочтительным:
• высокие антикавитационные характеристики;
• малошумность;
• устойчивость работы, стабильность подачи;
• возможность использования для перекачки вязких жидкостей;
• простота конструкции; легкость балансировки, обслуживания;
• слабая зависимость КПД от размеров;
• удобство для монтажа с вентиляционными коробами и в корпусах различных устройств;
• развитая поверхность дисков способствует интенсивному теплообмену в таких аппаратах и делает перспективным использование их в качестве проточных реакторов, например теплообменников.
Известен ряд патентов в РФ и за рубежом на диаметральные дисковые вентиляторы, однако их широкому распространению мешает отсутствие методик расчета основных рабочих характеристик, необходимых для их проектирования.
Цели работы:
- Получить экспериментальные данные о характеристиках процессов массо- и теплообмена в диаметральном дисковом вентиляторе и в частности:
- выявить влияние различных геометрических и кинематических параметров вентиляторов на основные параметры работы;
- получить количественные данные об интенсивности теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах;
- получить данные об эффективности вентиляции и очистки воздуха от вредных примесей установками, созданными на основе диаметральных дисковых вентиляторов.
Достоверность результатов диссертационной работы
подтверждается воспроизводимостью в многократных экспериментах и удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными, полученными при опытной эксплуатации установок, спроектированных на основе методик расчета, разработанных в работе, а также с данными, полученными другими авторами.
Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что:
- получены экспериментальные данные о характеристиках процессов тепло- и массообмена в междисковом канале диаметральных дисковых вентиляторов.
- разработана эмпирическая методика расчета основных параметров тепло- и массообмена в диаметральных дисковых вентиляторах, необходимая для проектирования таких аппаратов.
- экспериментально получены результаты, свидетельствующие о перспективности применения установок на основе диаметральных дисковых вентиляторов для эффективной очистки воздуха от влаги, пыли, аэрозолей и некоторых вредных газовых примесей.
- полученные экспериментальные данные могут быть использованы для построения теоретических моделей.
На защиту выносятся
- Результаты экспериментального исследования характеристик массо- и теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах.
- Методика расчета расхода, напора и теплопередачи через диаметральные дисковые вентиляторы.
- Результаты экспериментального исследования эффективности применения установок на основе диаметральных дисковых вентиляторов для осушения воздуха производственных помещений и очистки его от пыли и вредных водорастворимых примесей.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1998 г.), на Международной конференции «Оптические методы и обработка данных в тепловых и жидкостных потоках» (Лондон, 1998 г.), Международном симпозиуме по визуализации течений (Неаполь, 1998 г.), Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 1998 г.), а также на научных семинарах ИТПМ СО РАН.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 149 наименований, приложений и 49 рисунков. Полный объем диссертационной работы 124 страницы.
Содержание работы
Во введении кратко анализируется состояние вопроса. Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы.
Приводится краткое описание диссертации по главам и формулируются основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обзору существующих типов гидравлических машин и, в частности, насосов и вентиляторов. В ней приводится классификация гидравлических машин по энергетическому и конструктивному признакам, а также классификация насосов по свойствам перемещаемой среды и основным параметрам. В главе описываются области промышленного применения лопастных насосов. Отдельно рассмотрены особенности диаметральных дисковых вентиляторов, их сходство и отличия от близких по своим свойствам, принципам работы и характеристикам центробежных дисковых и диаметральных вентиляторов.
Вторая глава посвящена описанию методики и результатов экспериментального исследования газодинамики течения в диаметральных дисковых вентиляторах. Характерными особенностями этого течения являются отсутствие осевой симметрии течения и сильное влияние условий на входе - выходе аппарата на его характеристики. Вследствие этого теоретический анализ течения затруднен и в качестве главного средства исследования был выбран эксперимент. В главе подведены итоги исследования таких важнейших характеристик диаметральных дисковых вентиляторов, как объемный расход через аппарат и создаваемый напор.
Во введении к главе приводится обзор современного состояния исследований газодинамики междисковых течений, обосновывается актуальность исследования и выбора его методов.
В главе приведены результаты проведенных в гидролотке исследований по визуализации течения. Отмечается сложный характер течения в междисковом зазоре диаметральных дисковых вентиляторов, выражающийся в большом количестве крупных и мелких вихрей, развивающихся от входного сечения к выходному.
8
Приводится описание постановки эксперимента и установки, дается описание методики исследования и приводятся основные соотношения, по которым проводилось обезразмеривание результатов измерений для их последующего обобщения. В ходе выполнения большой программы экспериментов были рассмотрены около 200 различных конфигураций вентиляторов. В результате получены простые зависимости для определения искомых параметров с точностью, достаточной для инженерного расчета аппаратов.
Описана полученная таким образом необходимая для проектирования аппаратов эмпирическая методика расчета таких важных параметров работы диаметральных дисковых вентиляторов, как расход и напор.
Представлены также результаты исследования дроссельных характеристик диаметральных дисковых вентиляторов, которые описывают изменение расхода и напора вентилятора при его работе в сети. Описана методика проведения эксперимента, и по полученным результатам сделан вывод об устойчивости работы вентиляторов рассматриваемого типа.
Третья глава. Проведенные аэродинамические исследования диаметральных дисковых вентиляторов показали их практическую целесообразность и определенные преимущества при использовании в ряде случаев перед другими типами подобных аппаратов. Одной из характерных особенностей диаметральных дисковых вентиляторов является развитая поверхность дисков, что делает перспективным их применение в качестве проточных реакторов, например, теплообменников. В связи с этим значительный интерес представляет исследование процессов теплообмена в таком аппарате. Описанию методики и результатов экспериментального исследования
характеристик теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах посвящена настоящая глава.
Во введении к главе дается обзор исследований теплообмена между вращающимися дисками. С целью определения особенностей течения, существенно влияющих на перенос тепла, проведена визуализация полей температур методом жидкокристаллической термографии. В ходе работы были проведены эксперименты с двумя типами моделей с различными граничными условиями:
1. модель с металлическими дисками и омическим нагревателем, установленным внутри полого вала ротора.
2. модель с диском из теплоизоляционного материала с размещенным на нем плоским нагревателем, создающим на его поверхности постоянный тепловой поток.
Излагаются результаты исследований на модели первого типа при подводе тепла к дискам от оси. Сравнение полученных распределений температур по радиусу с решением задачи о теплопроводности диска показало, что во внутренней области междискового зазора отсутствует заметный теплосъем. Размер этой зоны хорошо согласуется с размером определенной по классической теории пограничного слоя зоны ламинарного течения вблизи изолированного диска, вращающегося в неограниченном объеме. Вне этой зоны отмечено существенное отклонение экспериментального распределения температуры от расчетного, что свидетельствует об интенсивном теплообмене в этой области. На основании полученных результатов сделано предположение, что существование таких разных по характеристикам теплообмена зон связано с изменением режима течения и переходом от ламинарного течения к турбулентному.
Результаты панорамного исследования полей температур на поверхности вращающегося диска из теплоизоляционного материала (стеклотекстолита) при постоянном тепловом потоке на его
10
поверхности, создаваемом плоским омическим нагревателем, также подтвердили наличие двух зон в междисковом зазоре, различающихся интенсивностью теплообмена.
Исследование количественных характеристик теплообмена проводилось с помощью терморезисторов. Всего на контролируемой поверхности было размещено 5 датчиков. Описана экспериментальная установка и методика проведения исследования, в ходе которого определялись локальные и средние по диску значения коэффициента теплоотдачи сс.
Обнаружено, что, начиная с некоторого значения числа
Рейнольдса = его увеличение не приводит к росту среднею
коэффициента теплоотдачи. Это может быть связано с тем, что сначала при увеличении скорости вращения усиливается конвективный теплообмен на поверхности дисков; в то же время с ростом скорости течения уменьшается время пребывания та в междисковом промежутке, что и приводит к тому, что дальнейшее увеличение скорости вращения не ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи. Сравнение полученных значений местных коэффициентов теплоотдачи с теоретическими и экспериментальными данными, полученными ранее другими авторами для одиночного свободно вращающегося диска, обнаружило их удовлетворительное совпадение. Причем полученные в настоящем исследовании данные соответствуют при таком сопоставлении области перехода от ламинарного течения к турбулентному. При этом точки, соответствующие малым радиусам, лежат на ветви ламинарного течения. Это подтверждает выдвинутое предположение о том, что обнаруженное различие в интенсивности теплообмена во внутренней и внешней областях междискового зазора связано с изменением режима течения.