Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб

Подождите немного. Документ загружается.

Е.Н. Письменный

ТЕПЛООБМЕН И АЭРОДИНАМИКА ПАКЕТОВ

ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ

Киев

Альтерпрес

2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

УДК 536.24

Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-

оребренных труб. – К.: Альтерпрес, 2004. – с.

Книга посвящена вопросам исследований теплообмена и аэро-

динамики поперечно-оребренных трубчатых конвективных поверх-

ностей в чистых газовых потоках, методам расчета их теплоаэроди-

намических характеристик, способам интенсификации теплообмена

и разработке новых видов эффективных и технологичных ребристых

поверхностей.

Библиогр. 167 назв. Ил. . Табл. .

Рецензенты:

чл.-корр. НАН Украины А.А. Халатов,

д.т.н., Э.Я. Эпик

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные условные обозначения ........................................................6

ПРЕДИСЛОВИЕ ....................................................................................9

1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И

ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООБМЕНА И

ТЕЧЕНИЯ В ПАКЕТАХ ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ ...11

1.1. Исследование физического механизма процессов течения

и конвективного теплообмена в поперечно-оребренных

поверхностях ..............................................................................11

1.1.1. Локальный теплообмен ................................................11

1.1.2. Характеристики течения ..............................................16

1.1.3. Полуэмпирические модели ..........................................20

1.2. Среднеповерхностный теплообмен и аэродинамическое

сопротивление пакетов труб с винтовым и шайбовым

оребрением .................................................................................23

1.3. Выводы .......................................................................................41

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ В ПАКЕТАХ

ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ ..............................................45

2.1. Методика исследований .............................................................45

2.2. Течение на поверхности ребра ..................................................48

2.2.1. Течение на ребре в условиях отсутствия влияния

соседних оребренных труб ..........................................48

2.2.2. Течение на ребре в условиях влияния соседних

оребренных труб ..........................................................62

2.3. Течение в пакетах в целом ........................................................68

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЛОКАЛЬНОГО

ТЕПЛООБМЕНА В ПАКЕТАХ ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ

ТРУБ. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА

НА ПОВЕРХНОСТИ РЕБРИСТОГО ЦИЛИНДРА .......................82

3.1. Методика исследований ............................................................82

3.1.1. Метод определения локальных коэффициентов

теплоотдачи ..................................................................82

3.1.2. Конструкция и геометрические характеристики

опытных ребристых труб и трубных пакетов ...........84

3.1.3. Методика измерений и обработки опытных данных 86

3.2. Анализ результатов экспериментов .........................................88

3.2.1. Влияние геометрии ребристых труб на

распределение интенсивности теплоотдачи по

поверхности ребра .......................................................88

3.2.2. Влияние типа компоновки и шаговых характеристик

пакетов на распределение интенсивности

теплоотдачи по поверхности ребра ............................95

3.3. Оценка температурных режимов .............................................101

ОГЛАВЛЕНИЕ

3.4. Физическая модель течения и теплообмена

на поверхности ребристого цилиндра .....................................102

4. СРЕДНЕПОВЕРХНОСТНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ПАКЕТОВ

ТРУБ С ВИНТОВЫМ И ШАЙБОВЫМ ОРЕБРЕНИЕМ ..................105

4.1. Методика исследований ............................................................105

4.1.1. Конструкция и геометрические характеристики

труб и трубных пакетов ...............................................105

4.1.2. Методика измерений и обработки опытных данных 108

4.2. Теплообмен в глубинных рядах ...............................................114

4.2.1. Анализ экспериментальных данных

и их обобщение ............................................................114

4.2.2. Влияние на теплообмен типа компоновки, шаговых

характеристик и параметров оребрения ....................135

4.3. Влияние на теплообмен числа поперечных рядов

ребристых труб ..........................................................................143

4.4. Исследование влияния неравномерности a-поля шайбового

ребра на его эффективность .....................................................148

4.4.1. Состояние вопроса ........................................................148

4.4.2. Результаты исследования, их анализ и обобщение ...151

4.5. Обобщенная методика расчета теплообмена пакетов

поперечно-оребренных труб. Сравнение с обобщениями

других авторов ...........................................................................154

5. АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПАКЕТОВ

ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ ..............................................160

5.1. Методика исследований ............................................................160

5.2. Анализ и обобщение экспериментальных данных .................161

5.2.1. Шахматная компоновка пакетов .................................164

5.2.2. Коридорная компоновка пакетов ................................171

5.3. Обобщенная методика расчета аэродинамического

сопротивления пакетов поперечно-оребренных труб.

Сравнение с обобщениями других авторов ............................176

6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНО-ОРЕБРЕННЫХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ .............................................................................183

6.1. Состояние проблемы .................................................................183

6.2. Физическое обоснование предлагаемых разработок .............193

6.3. Пакеты труб с конфузорной подгибкой ребер ........................195

6.3.1. Методика исследований. Геометрические

характеристики ребристых труб и трубных пакетов 195

6.3.2. Результаты исследований и их анализ ........................198

6.4. Поверхности из профилированных труб с неполным

оребрением .................................................................................213

6.4.1. Методика исследований. Геометрические

характеристики ребристых труб и трубных пакетов 214

6.4.2. Результаты исследований и их анализ ........................217

6.5. Поверхности из труб с лепестковым оребрением ..................223

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................228

ПРИЛОЖЕНИЯ .....................................................................................237

П.1. Экспериментальные стенды ....................................................237

П.2. Геометрические характеристики исследованных пакетов

труб с винтовым и шайбовым оребрением ............................241

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

d – диаметр цилиндра, несущего оребрение;

h – высота ребра;

t – шаг ребер;

d – толщина ребер;

u – ширина межреберного зазора;

D – наружный диаметр оребрения;

y – коэффициент оребрения;

H – площадь теплоотдающей поверхности оребренной трубы;

– площадь теплоотдающей поверхности ребер;

тр

– площадь теплоотдающей поверхности несущей трубы;

– поперечный шаг труб;

– продольный шаг труб;

– диагональный шаг труб;

– число труб в поперечном ряду пакета;

– число поперечных рядов труб в пакете;

– коэффициент теплопроводности металла ребристой трубы;

– коэффициент теплопроводности газового теплоносителя;

n – коэффициент кинематической вязкости;

r – плотность теплоносителя;

a, a

– локальный коэффициент теплоотдачи;

– среднеповерхностный конвективный коэффициент теплоотдачи;

пр

– среднеповерхностный приведенный коэффициент теплоотдачи;

– осредненное по высоте ребра значение коэффициента теплоот-

дачи;

E – коэффициент теоретической эффективности ребра, полученный

при условии постоянства a по его поверхности;

– поправка, учитывающая влияние неравномерности теплоотдачи

по поверхности ребра на его эффективность;

– эквивалентный диаметр минимального проходного сечения па-

кета;

– радиус основания ребра;

R – радиус кромки ребра;

r – координата, отсчитываемая вдоль радиуса ребристой трубы;

– расстояние от основания ребра вдоль его радиуса;

w – угловая координата, отсчитываемая по окружности от лобовой

точки трубы;

– угол наклона оси трубы по отношению к направлению набегаю

щего потока;

– угол атаки ребра (угол наклона плоскости ребра по отношению

к направлению набегающего потока);

– угол атаки некруглого профиля;

F – площадь сжатого поперечного сечения пакета;

mid

– площадь миделевого сечения ребристой трубы;

– локальное значение статического давления;

– статическое давление в узком сечении пакета;

ОГЛАВЛЕНИЕ

– атмосферное давление;

DP – перепад давлений;

T,t – температура;

Q – рассеиваемая мощность;

U – скорость потока.

Безразмерные комплексы

= S

– параметр размещения труб в шахматном пакете;

= (S

- d)/(S

- d) – параметр размещения труб в шахматном пакете;

bh – безразмерная высота ребра;

Nu = ad/l

– число Нуссельта;

Re = Ud/n – число Рейнольдса;

Eu = DP/rU

– число Эйлера:

Pr = rcn/l

– число Прандтля;

St = a/rcU – число Стентона;

= 2(P

- P

)/rU

– коэффициент статического давления;

= 2(P

- P

)/rU

– коэффициент статического давления;

Ф = DP/2z

- фактор трения.

Индексы

в – вход;

с – стенка;

п – поток;

д – динамический;

ст – статический;

э - рассчитанный по эквивалентному диаметру;

min – минимальный.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ИТТФ НАНУ – Институт технической теплофизики НАН Украины;

ВТИ – АО “Всероссийский теплотехнический институт”;

ЦКТИ – “Научно-производственное объединение по исследо

ванию и проектированию энергетического оборудо

вания им. И.И. Ползунова”;

ИФТПЭ – Институт физико-технических проблем енергетики

АН Литвы;

ЗиО – ОАО “Подольский машиностроительный завод”;

КПИ – Национальный технический университет Украины

“Киевский политехнический институт”.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Теплообменные устройства конвективного типа широко ис-

пользуются в энергетике и промышленности. Наиболее часто такие

устройства выполняются в виде трубных пакетов (рис. 1), которые

отличаются высокими прочностными характеристиками, техноло-

гичностью, удобством компоновки, монтажа и обслуживания. На их

производство идет значительная доля металла, используемого в

энергомашиностроении. Снизить его расход можно, применяя попе-

речное оребрение труб (рис. 2), которое позволяет максимально раз-

вить поверхность теплообмена в единице объема и значительно

улучшить показатели компактности и удельной металлоемкости.

Широкое внедрение конвективных поверхностей из поперечно-

оребренных труб в энергетику и промышленность стало возможным

на основе высокопроизводительных технологий приварки (рис. 3) и

накатки ребер. В то же время возникли проблемы создания доста-

точно точных и универсальных методов расчета их теплоаэродина-

мических характеристик, дальнейшего совершенствования таких по-

верхностей, интенсификации теплообмена в них. Решение этих

проблем в определенной мере сдерживалось отсутствием достовер-

ной физической картины процессов переноса в поперечно-

оребренных поверхностях.

Рис. 1. Пакет оребренных труб для котла–утилізатора ПГУ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Рис. 2. Трубы с поперечным приварным оребрением

В настоящей работе, выполненной автором на кафедре атом-

ных электростанций и инженерной теплофизики Киевского политех-

нического института, на основе новых физически обоснованных

подходов получены инженерные методики расчета теплообмена и

аэродинамического сопротивления пакетов поперечно-оребренных

труб, которые прошли широкую апробацию на энергомашинострои-

тельных предприятиях, в научно-исследовательских и проектно-

конструкторских организациях, занимающихся разработкой тепло-

обменного оборудования. Эти методики признаны наиболее точны-

ми и универсальными и включены в Нормативный метод теплового

расчета котельных агрегатов 1992 и 1998 годов выпуска и Руково-

дящий технический материал Минэнергомаша СССР РТМ

108.030.140-87 – Расчет и рекомендации по проектированию попе-

речно-оребренных конвективных поверхностей нагрева стационар-

ных котлов. На основе исследований течения и локального теплооб-

мена обнаружены явления, принципиально изменяющие

сложившиеся представления о характере процессов в межреберных

полостях и в пакетах в целом. Разработана новая физическая модель

течения и теплообмена на поверхности ребристого цилиндра, кото-

рая может служить теоретической основой для совершенствования

развитых теплообменных поверхностей. Предложены новые виды

эффективных и технологичных ребристых поверхностей.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Рис. 3. Схема технологического процесса приварки поперечного оребрения:

1 – стальная лента, образующая винтовое оребрение; 2 – несущая труба;

3 – прижимной ролик

Значительная часть результатов исследований автора настоя-

щей монографии опубликована в англоязычных изданиях [29, 159,

160,178-192].

Книга предназначена для научных работников и инженеров,

занимающихся исследованиями, расчетами и проектированием теп-

лообменного оборудования, а также для аспирантов и студентов,

начинающих свой путь в науке как пример, дающий представление о

подходах к исследованиям сложных случаев конвективного тепло-

обмена, их методологии, об экспериментальных методиках и техни-

ке исследований.