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

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 1

(для гладкотрубного пакета D

= d). Величина (S

/d)

определяется из

выражения для (D

)

эквивалентного пакета

(D/D)= 410,866

éùéù

æöæö

ç÷ç÷

êúêú

èøèø

ëûëû

, (1.43)

которое приравнивается к заранее вычисленному значению D

рассматриваемого ребристого пакета. Искомую величину находят из

выражения

S1,20(S/d)

C0,2820,1280,083

d(S/d)0,89

=--

éù

æö

ç÷

êú

èø

ëû

. (1.44)

Автор не указывает области геометрических и режимных ха-

рактеристик, в которых следует использовать предлагаемый метод.

Однако, судя по экспериментальному материалу, на базе которого

соотношения (1.42) - (1.44) получены и проверены, эти интервалы

значительно уже, чем в рассмотренных выше обобщениях [2, 25, 74,

76, 89].

1.3. Выводы

Выполненный анализ позволяет сделать следующие выводы.

Исследования физического механизма процессов в поперечно-

оребренных поверхностях весьма ограничены, а их результаты не

позволяют сформировать единую адекватную картину течения и те-

плообмена в пакетах поперечно-оребренных поверхностей.

Имеющиеся данные по локальному теплообмену носят проти-

воречивый характер. Это относится в первую очередь к существенно

различным по характеру распределениям интенсивности теплоотда-

чи по высоте ребра, имеющим в одних случаях абсолютный макси-

мум у основания ребра, в других - у его вершины при одинаковых

режимных условиях.

Практически отсутствуют данные по влиянию геометрии реб-

ристых труб на характер a-распределений, а влияние типа компо-

новки и шаговых характеристик пакетов в основном представлено

круговыми распределениями осредненных по высоте ребра значений

коэффициентов теплоотдачи.

Противоречивость выводов о закономерностях локального теп-

лообмена обусловлена погрешностями экспериментальных методов,

Выводы 1.3

а также отсутствием достаточно глубокого гидродинамического

обоснования полученных результатов. Их трактовка часто носит

чисто умозрительный характер, так как далеко не всегда теплооб-

менные эксперименты сопровождались изучением особенностей

омывания ребристых труб. В тех же случаях, когда такие исследова-

ния выполнялись, как правило, использовались методы измерений,

не позволяющие получить удовлетворительные результаты в усло-

виях значительной трехмерности, характерной для течения в межре-

берном и межтрубном пространствах.

Недостаточность сведений о закономерностях течения в попе-

речно-оребренных поверхностях привела к возникновению представ-

лений, которые базируются на кажущейся очевидной аналогии с про-

цессами, имеющими место в полуоткрытых плоских каналах и при

обтекании гладких цилиндров. Эти представления легли в основу ряда

физических и так называемых полуэмпирических расчетных моделей.

Модель, получившая широкое распространение и послужившая

теоретической базой значительного числа работ, предполагает сни-

жение интенсивности омывания прикорневых частей ребер и стенки

несущего цилиндра по мере увеличения относительной глубины

межреберной полости за счет образования утолщенного погранично-

го слоя и, как следствие, снижение интенсивности теплообмена, что

не соответствует действительной картине процесса.

Отсутствие достоверной картины течения и теплообмена в по-

перечно-оребренных поверхностях и, прежде всего, в межреберной

полости в определенной мере сдерживало возможности их совер-

шенствования, в частности, за счет уменьшения шага и увеличения

высоты ребер.

В рассмотренных работах по исследованию среднеповерхностного

теплообмена и аэродинамического сопротивления пакетов поперечно-

оребренных труб основной массив данных связан с шахматными компо-

новками. При этом наибольшее количество экспериментов (до 60 %) от-

носится к весьма узкой области параметров размещения S

= 1,0…1,5,

а примерно три четверти опытов в указанном диапазоне проведено с так

называемыми равносторонними компоновками (S

» 1,15) или близ-

кими к ним. Интервал S

= 1,5…2,0 изучен значительно меньше (око-

ло 20 % экспериментов) и практически не исследованной (единичные

опыты) является область шаговых характеристик S

> 2,0.

Весьма малочисленны данные по коридорным пакетам - отно-

сительно небольшое количество экспериментов связано в основном с

"квадратными" или близкими к ним (S

= 0,8...1,25) компоновками.

В отношении изучения влияния на интенсивность среднепо-

верхностного теплообмена и сопротивление геометрии ребристых

труб анализ показал, что большинство экспериментов проводилось в

области значений коэффициентов оребрения ψ = 5,0...10,0, хотя в от-

дельных случаях исследовались пакеты труб со значениями ψ, дос-

тигавшими 21.

ГЛАВА 1

Между тем диапазон геометрических характеристик пакетов,

представляющий практический и научный интерес, значительно

шире исследованного как по параметрам оребрения, так и по пара-

метрам размещения труб. В частности, это относится к так называе-

мым стесненным пакетам (S

> 2,0), по ряду технологических,

эксплуатационных и других причин, получающих в последнее время

все большее применение в конструкциях энергетических агрегатов.

Характерно также то, что более половины (~ 60 %) экспери-

ментальных данных по среднеповерхностному теплообмену получе-

но с использованием, метода локального теплового моделирования,

который во многих случаях, по оценкам ряда исследователей, не яв-

ляется корректным и приводит к существенному завышению значе-

ний коэффициентов теплоотдачи, а также к искажению уклона зави-

симостей lgNu = f(lgRe).

Рассмотренные обобщающие зависимости, в том числе и во-

шедшие в Нормативные и Руководящие технические материалы,

достаточно надежно описывают экспериментальные данные в отно-

сительно узких интервалах геометрических характеристик S

1,0...2,0, ψ = 5,0...12,0. Это связано как с отмеченным выше несовер-

шенством использованных методов исследования, так и с тем, что

структура предложенных расчетных выражений не учитывает в пол-

ной мере влияние параметров оребрения и размещения на среднепо-

верхностный теплообмен и аэродинамическое сопротивление паке-

тов ребристых труб. В частности, не учитывается зависимость

показателя степени при числе Рейнольдса в формулах для коэффи-

циентов теплоотдачи от шаговых соотношений, а в формулах для

чисел Эйлера показатель степени вообще принимается не зависящим

от геометрии пакетов. Поиск возможностей обобщения опытного

материала во многих случаях направлен на разработку сложных вы-

ражений для определяющего размера в числах подобия, или на соз-

дание громоздких искусственных методов, что далеко не всегда при-

водит к желаемому результату.

По-разному оценивается влияние параметров размещения труб

в пакетах на интенсивность среднеповерхностного теплообмена и

аэродинамическое сопротивление, что связано с различием методик

проведения экспериментов и относительной узостью интервалов из-

менения шаговых характеристик в большинстве выполненных ис-

следований. Не изучено влияние числа поперечных рядов труб на

теплообмен и сопротивление при варьировании геометрии пакетов.

Обзор работ, посвященных изучению зависимости коэффициен-

та эффективности ребра от неравномерности теплоотдачи по его по-

верхности, свидетельствует о противоречивости полученных резуль-

татов. Анализ выражений, предлагаемых для определения поправки

, которая учитывает отмеченную зависимость, показал, что их ис-

пользование в области значений безразмерной высоты ребра βh > I

может привести к существенным ошибкам при расчете теплоотдачи.

Выводы 1.3

Все отмеченное выше вызвало необходимость проведения ком-

плекса исследований, направленных на создание адекватной физиче-

ской модели процессов течения и теплообмена в пакетах поперечно-

оребренных труб, разработку на этой основе более точных и универ-

сальных по сравнению с существующими обобщенных методов их

теплового и аэродинамического расчетов, определение путей и мето-

дов совершенствования теплообменных устройств такого типа.

ГЛАВА 2

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

ТЕЧЕНИЯ В ПАКЕТАХ ПОПЕРЕЧНО-

ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ

2.1. Методика исследований

Гидродинамическая картина обтекания поперечно-оребренных

труб, сопоставленная с результатами теплообменных экспериментов,

позволяет в значительной мере объяснить закономерности их сред-

него и локального теплообмена, поэтому вопросам исследования те-

чения в настоящей работе уделялось значительное внимание. Ввиду

очень сложного - трехмерного отрывного характера обтекания по-

перечно-оребренных цилиндров исследование их гидродинамики

весьма затруднено. Применение в данных условиях современных

термоанемометрических методов, как следует из главы I, не приво-

дит к прояснению физической картины процессов, имеющих место в

межреберной полости. В этой ситуации получение даже чисто каче-

ственных результатов оправдывает себя.

С учетом сказанного, в настоящей работе экспериментальные

исследования течения выполнялись с помощью простого, но, как

оказалось, достаточно эффективного метода поверхностной визуали-

зации потока, который в сочетании с измерениями полей статиче-

ских давлений на поверхности ребра позволил выявить ряд не из-

вестных ранее закономерностей обтекания поперечно-оребренных

цилиндров. Визуализация осуществлялась саже-керосиновой взве-

сью и включала два основных этапа: исследования течения непо-

средственно на поверхности ребер и исследования течения в пакетах

ребристых труб в целом. Эксперименты проводились с двенадцатью

типами ребристых труб, конструктивные параметры которых пред-

ставлены в таблице 2.1. Геометрия труб выбиралась из соображений

соответствия относительным параметрам широко использующихся в

промышленности труб, а также таким образом, чтобы охватить по

возможности больший интервал конструктивных характеристик и

прежде всего параметра h/d, в значительной мере определяющего, по

данным предварительного анализа, характер течения на ребре. Тру-

бы собирались в пакеты с шахматной и коридорной компоновками

(табл. 2.2), при этом эксперименты осуществлялись в первых по хо-

ду газов и в глубинных поперечных рядах

____________________

В соответствии с табл. 2.2 исследованный пакет можно характеризовать типом

компоновки ("ш"- шахматный, "к"- коридорный), номером серии труб и номером

размещения. Например, шахматный пакет труб серии 1 с размещением 2 можно

обозначить "Ш0102" и т.п.

Раздел 2.3

Таблица 2.1

Геометрические характеристики ребристых труб

Номер

серии

(тип)

труб

Диаметр

несущей

трубы

d, мм

Высота

ребра

h, мм

Шаг

ребер

t, мм

Толщина

ребер

d, мм

Отношение

h/d, мм

Коэффициент

оребрения

1 21,0 30,0 4,0 1,2 1,429 38,32

2 21,0 18,0 4,0 1,2 0,857 18,25

3 21,0 12,0 4,0 1,2 0,571 10,79

4 21,0 40,0 20,0 1,2 1,905 12,85

5 32,0 30,0 12,7 5,0 0,932 10,90

6 63,0 22,5 12,0 2,5 0,357 6,10

7 63,0 29,0 12,0 2,5 0,460 8,25

8 63,0 36,0 12,0 2,5 0,571 10,67

9 63,0 41,5 12,0 2,5 0,659 12,75

10 63,0 48,5 12,0 2,5 0,770 15,63

11 85,5 22,5 12,0 2,5 0,263 5,85

Таблица 2.2

Геометрическая характеристика пакетов ребристых труб

Номер

размещения

Тип труб в

соответствии с табл. 2.1

Тип

компоновки

1 1 Шахм. 3,98 9,48 0,42

2 1 - “ - 3,98 3,43 1,16

3 1 - “ - 4,93 4,00 1,59

4 1,2 - “ - 6,57 3,48 1,89

5 1 - “ - 6,57 2,71 2,42

6 1,2 - “ - 6,57 2,19 3,00

7 5 - “ - 3,47 2,66 1,30

8 5 - “ - 3,47 5,31 0,65

9 5 - “ - 4,31 2,66 1,62

10 5 - “ - 4,31 5,31 0,81

11 6 - “ - 3,33 1,30 2,56

12 6 - “ - 3,33 1,76 1,89

13 6 - “ - 4,09 1,30 3,15

14 6 - “ - 4,09 1,76 2,32

15 11 - “ - 3,02 1,30 2,32

16 11 - “ - 3,91 1,30 3,01

17 3 Корид. 2,48 3,33 0,74

18 3 - “ - 3,33 2,38 1,40

19 3 - “ - 3,98 2,24 1,78

20 3 - “ - 6,57 2,24 2,94

21 5 - “ - 3,47 2,97 1,17

22 5 - “ - 3,47 5,31 0,65

ГЛАВА 2

Для изучения течения на поверхности ребер были изготовлены

трубы соответствующих таблице 2.1 типов (по одной трубе каждого

типа), которые отличались наличием резьбового разъема, делящего

их на две равные по высоте части. Обращенные друг к другу сторо-

ны расположенных у разъема ребер были отполированы и окрашены

белой нитроэмалью. В процессе проведения опытов поверхность

нижнего от разъема ребра равномерно покрывалась тонким слоем

тщательно перемешанной взвеси, которая заранее приготавливалась

из технической сажи и керосина. Затем обе половины трубы соеди-

нялись и она помещалась в рабочий участок стенда

, в заданный ряд

установленного там пакета, набранного из труб с соответствующей

геометрией. Рабочий участок герметизировался, включался вентиля-

тор, и опытная труба выдерживалась от 2 до 10 минут в изотермиче-

ском потоке воздуха, который, взаимодействуя с пленкой взвеси, за-

ставлял ее двигаться в направлении линий тока, образуя картину

течения в виде штрихов и точек. Со временем керосин испарялся и

частицы сажи оставались в тех местах поверхности ребра, куда были

снесены, находясь во взвешенном состоянии. Таким образом карти-

на фиксировалась и затем, после извлечения трубки из рабочего уча-

стка, фотографировалась. На полученном изображении участки по-

верхности, омываемые с большей интенсивностью, имеют более

светлую окраску. Зоны с нулевой скоростью или слабым циркуляци-

онным движением проявляются в виде темных пятен или полос.

Взвесь приготавливалась путем подбора такой концентрации сажи в

керосине, которая обеспечивала наиболее четкую картину при дан-

ном скоростном режиме опыта. Специфика примененного метода

визуализации такова, что качественное изображение картины тече-

ния можно получить только, начиная с определенного значения ско-

рости набегающего потока, составлявшего в наших опытах 6 м/с.

При исследовании течения в пакетах в целом изображение фик-

сировалось на отполированных и покрытых белой нитроэмалью по-

верхностях нижних трубных досок, указанных в табл. 2.2 пакетов.

Взвесью покрывалось примерно 2/3 поверхности установленной в

стенде доски, начиная с переднего ее края. Затем устанавливались тру-

бы и далее процедура опыта была аналогична изложенной выше.

Вследствие того, что в данном случае картины течения фиксировались

у стенки рабочего участка, а не вдали от нее, на них, по-видимому,

влияли процессы, связанные с развитием собственного пограничного

слоя аэродинамической трубы. Однако это влияние можно считать не-

значительным, в частности, по той причине, что пограничный слой на

стенке разрушался трубной решеткой пакета, а условия течения в зазо-

рах между крайними ребрами и трубными досками были близки к ус-

ловиям в межреберных зазорах, так как конструкцией труб и рабочего

участка стенда было предусмотрено равенство величин этих зазоров.

____________________

Описание экспериментального стенда и стендового оборудования приводится

в приложении.

Раздел 2.3

Для измерения полей статических давлений использовались

аналогичные, описанные выше, по конструкции разъемные трубы

типов 5 и 6 (табл. 2.1). На обращенной к разъему поверхности ребра

каждой из них была выполнена система отверстий диаметром 0,5

мм, с помощью которых осуществлялся отбор давлений. От отвер-

стий импульсы давлений отводились через впаянные в ребро медные

капиллярные трубки, заканчивающиеся у торца ребристой трубы

штуцерами, к которым посредством резиновых шлангов подсоеди-

нялись микроманометры. Расположение отборных отверстий обес-

печивало необходимую разрешающую способность по высоте ребра.

Измерения по угловой координате осуществлялись поворотом всей

опытной трубы вокруг ее продольной оси с шагом 10°. В процессе

экспериментов фиксировались разности давлений в данных точках

поверхности ребра Р

и в живом сечении трубного ряда, в котором

производились измерения, Р

, для чего в трубных досках устанавли-

вались соответствующие отборы. Выбор величины Р

в качестве ба-

зисного значения обусловлен необходимостью исключения влияния

на распределения давлений в различных поперечных рядах фактора

падения давления по глубине пакета. По результатам измерений оп-

ределялись значения коэффициента давления

(

)

piy

C2PP

ρU

-= . (2.1)

Опытные данные представлялись в виде зависимостей

C=f(

ω,P)

, Re = const, где w - угол, отсчитываемый в плоскости

ребра от лобовой образующей трубы;

оо

P= (rr)/(Rr)

- без-

размерная координата, отсчитываемая вдоль соответствующего рас-

сматриваемому углу w радиуса ребристой трубы от основания ребра

(r = r

; P

= 0) до его кромки (r = R; Р

= I).

Принятые методы исследования позволяли проводить экспе-

рименты при числах Рейнольдса Re = (I,2...6,6) I0

, относящихся к

области преимущественно турбулентного обтекания ребристых

труб. В качестве определяющего размера и определяющей скорости

в числах Рейнольдса использовались соответственно диаметр несу-

щей трубы d и скорость потока в наиболее узком сечении пакета.

2.2. Течение на поверхности ребра

2.2.1. Течение на ребре в условиях отсутствия влияния

соседних оребренных труб

Для анализа механизма процессов, имеющих место в межре-

берной полости, оценки влияния геометрии ребристых труб на ха-

рактер этих процессов представляют интерес, прежде всего, резуль-

ГЛАВА 2

таты исследований, выполненных в первых рядах пакетов с доста-

точно большими относительными продольными шагами труб s

когда практически отсутствует влияние на рассматриваемые процес-

сы шаговых характеристик пакета.

На первом этапе исследования проводились с трубами типов 1,

2, 4, 5, имеющими относительно высокие ребра (h/d = 0,9…1,9). Фо-

тографии, иллюстрирующие результаты визуализации течения на

ребрах таких труб показаны на рис. 2.1-2.10. Наблюдается явное вы-

Рис. 2.1. Течение на ребре. Труба –

тип 1, h/d = 1,429. 1-й ряд пакета с

= 3,98; s

= 9,48; Re = 2,6·10

Рис. 2.2.Участок ребра перед лобовой

частью несущего цилиндра. Труба –

тип 1; h/d = 1,429; 1-й ряд пакета с

= 3,98; s

= 9,48; Re = 2,6·10

Рис. 2.3. Течение на ребре. Труба –

тип 2; h/d = 0,857; 1-й ряд пакета с

= 3,98; s

= 9,48; Re = 2,7·10

Рис. 2.4. Результат эксперимента с

целью определения границы отрывной

зоны А. Труба – тип 2; h/d = 0,857;

1-й ряд пакета с s

= 3,98; s

= 9,48;

Re = 2,7·10

Раздел 2.3

теснение потока из межреберных каналов, связанное с нарастани-

ем толщины пограничного слоя на ребре, вследствие чего линии

тока ниже миделевого сечения и очертания кормовой вихревой

зоны за трубой, несущей оребрение, расходятся в стороны от про-

дольной оси изображения и имеют кривизну обратную той, кото-

рая характерна для поперечного обтекания гладкого цилиндра.

Темная полоса у передней границы ребра (рис.2.1, 2.9) является

следствием отрыва потока от его острой входной кромки. Призна-

ки такого отрыва обнаруживались в опытах не систематически –

даже небольшое скругление кромки приводит к его исчезновению.

Особенно хорошо это явление наблюдается на ребрах, имеющих

относительно большую толщину: на рис. 2.9 кроме области отры-

ва (темная полоса) у передней кромки видна и область присоеди-

нения потока к поверхности ребра (сопредельная с темной светлая

полоса).

Возле передней полуокружности несущей трубы располагается

значительная по размерам зона (рис. 2.2), имеющая внешнюю грани-

цу, близкую по конфигурации к дуге окружности, перед которой

раздваиваются линии тока. Эта зона (назовем ее зоной А) имеет

сложную структуру и состоит, как правило, из двух темных и одной

более светлой изогнутых полос. Первая темная полоса довольно уз-

кая и не всегда хорошо заметная располагается непосредственно у

несущей трубы. Затем следует широкая, в целом более светлая поло-

са, состоящая из множества светлых штрихов, в ориентации которых

угадывается встречный по отношению к направлению основного по-

тока характер движения сажевых частиц. Последняя темная полоса,

являющаяся внешней границей зоны, сужается по мере удаления от

продольной оси изображения. На фотографиях, зафиксировавших

картину течения при относительно невысоких скоростях, самое ши-

рокое место этой полосы имеет вид темного ромбовидного пятна,

заключенного между расходящими линиями тока.

Причины образования зоны А связаны с трехмерностью тече-

ния у основания ребра (рис.2.11,а). Из-за различия скоростей вблизи

поверхности ребра и в ядре межреберной полости, связанного с об-

разованием пограничного слоя, при набегании потока на стенку не-

сущей трубы возникает перепад давления вдоль оси OZ , вызываю-

щий движение воздуха от центра межреберного канала к основаниям

ребер. Возникшее вторичное течение присоединяется к поверхности

ребра на участке А

, образуя малую угловую область отрыва А

которая видна на фотографии рис. 2.2 как первая темная полоса зоны

А. Участок присоединения А

соответствует на рис. 2.2 светлой по-

лосе, течение в пределах которой можно охарактеризовать как

встречное по отношению к основному потоку. При встрече вторич-

ного и основного течения происходит отрыв потока от поверхности

ребра. Участок отрыва А

виден на рис. 2.2 как внешняя темная по-

лоса зоны А , в центре которой лежит точка сингулярного отрыва S ,

являющаяся в то же время как для основного, так и для вторичного