Теплообмен при естественной циркуляции внутри труб теплообменника с вытяжной шахтой при ламинарном течении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Канарейкин, Александр Иванович

• Канарейкин, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Канарейкин, Александр Иванович

Введение 8-

Глава 1. Теплообмен при естественной конвекции и естественной циркуляции.

1.1. Естественно-конвективный теплообмен в истории теплофизики.

1.1.1. Общие положения 12

1.1.2. Историческое развитие 15

1.2. Теплообмен при естественной конвекции в трубах и каналах.

1.2.1. Внутренние задачи естественной конвекции 18

1.2.2. Замкнутое пространство 21

1.2.3. Незамкнутый канал 25

1.2.4. Течение в горизонтальном круговом цилиндре 27

1.3. Течение и теплообмен в трубах при совместном действии вынужденной и свободной конвекции.

1.3.1. Теплообмен в плоской и круглой вертикальных трубах при граничных условиях первого рода 31

1.3.2. Теплообмен и сопротивление в круглых трубах при граничных условиях первого рода 34

1.3.3. Течение и теплообмен в круглой вертикальной трубе вдали от входа при граничных условиях второго рода с источниками и без источников тепла в потоке 38

1.3.4. Течение и теплообмен в плоской и призматической вертикальных трубах вдали от входа при граничных условиях второго рода с источниками и без источников тепла в потоке

1.3.5. Течение и теплообмен в круглой горизонтальной трубе при граничных условиях второго рода 43

1.4. Особенности естественной конвекции и естественной циркуляции. Постановка задачи исследования. 48

Глава 2. Решение задачи конвективного теплообмена внутри обогреваемых труб.

2.1. Решение математической задачи 51

2.2. Определение локального значения числа Нуссельта по периметру трубы теплообменника

2.3. Определение среднего значения числа Нуссельта по сечению трубы теплообменника 57

2.4. Расчет угла, соответствующего среднему значению числа

Нуссельта по сечению трубы теплообменника '

Глава 3. Описание экспериментальной установки, методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.

3.1. Описание экспериментальной установки. 60

3.2. Методика проведения эксперимента.

3.2.1. Этапы проведения эксперимента

3.2.2. Определение температуры в эксперименте

3.2.3. Определение гидравлических потерь в элементах экспериментального контура 70

3.3. Методика обработки результатов

3.3.1. Выбор величин и зависимостей для обработки экспериментальных данных 80

3.3.2. Выбор теплофизических свойств среды, необходимых для экспериментальных данных 82

3.3.3. Выбор безразмерных комплексов для обобщения экспериментальных данных 84

3.3.4. Определение погрешностей измерений 88

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при естественной циркуляции внутри обогреваемых труб.

4.1. Основные результаты экспериментов.

4.1.1. Определение тепловых потерь 91

4.1.2. Определение расхода среды 94

4.1.3. Определение коэффициента теплоотдачи

4.1.4. Распределение теплоотдачи относительно оси вращения трубы теплообменника 97

4.1.5. Распределение теплоотдачи по длине трубы

4.1.6. Сопоставление теории и эксперимента

4.2. Обобщение результатов экспериментов. 103

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплообмен при естественной циркуляции внутри труб теплообменника с вытяжной шахтой при ламинарном течении»

Все выше сказанное характеризует актуальность задачи исследования естественно-конвективного и естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб.

К настоящему времени известно лишь небольшое количество работ, посвященных естественно-циркуляционному теплообмену внутри обогреваемых труб. Имеющиеся в литературе данные относятся в основном к случаю вертикального расположения последних при движении в них воздуха.

Целью данной диссертационной, работы является экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики при ламинарном течении при естественной циркуляции жидкости в теплообменнике с вытяжной шахтой.

В данной работе приведен обзор литературы, освещающей состояние исследований теплообмена при естественной конвекции и циркуляции. Описываются экспериментальные исследования: приводится описание опытной установки, методика проведения экспериментов и обработки результатов.

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 приводятся разработка математической модели и дано аналитическое решение задачи, на основании которой получены формулы для расчета локального коэффициента теплоотдачи по сечению теплообменной трубки.

В третьей главе приводится описание опытной установки, для исследования локального коэффициента теплоотдачи в теплообменнике с вытяжной шахтой при ламинарном течении, методики проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментов по определению локального коэффициента теплоотдачи в теплообменнике с вытяжной шахтой при ламинарном течении в зависимости от геометрических параметров установки и тепловой нагрузки.

Излагаются сами результаты опытов по определению расхода и коэффициента теплоотдачи воды при естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой в ламинарной зоне течения.

Дано теоретическое обоснование полученных результатов, как теоретическая составляющая диссертационной работы.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

- проведены экспериментальные исследования и получены обобщенные безразмерные зависимости для расчета теплоотдачи и расхода жидкости в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при естественной циркуляции теплоносителя.

- получена картина немонотонного изменения коэффициента теплоотдачи при наклоне обогреваемых труб при ламинарном течении воды.

- проведен анализ полученной зависимости коэффициента теплоотдачи на основе полученного решения.

Практическая ценность работы:

- на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета теплообмена и гидродинамики для практических задач естественно-циркуляционного теплообмена внутри обогреваемых труб с вытяжной шахтой.

- полученные результаты использованы в конструировании основанных на эффекте естественной циркуляции теплообменных установок.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования теплообмена при естественной циркуляции внутри горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при ламинарном течении.

- наличие максимума теплоотдачи по сечению обогреваемых труб при ламинарном течении воды.

По материалам диссертационной работы имеется 9 публикаций: в журналах «Вестник Калужского университета; сборнике трудов кафедры общей физике КГУ им. К.Э. Циолковского; доклады по материалам работы также были опубликованы в сборнике трудов XVI и Школы - семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» Результаты работы докладывались на международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» ТулГУ, Вестник ЧГПУ.

Диссертационная работа была выполнена в 2006 - 2011 гг. в ч лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» кафедры общей физики Калужского государственного педагогического университета им. К.Э. Циолковского под руководством доктора технических наук, профессора Мильмана О.О., которому автор выражает глубокую благодарность.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Канарейкин, Александр Иванович

8. Результаты исследования используются при расчете теплообмена в конденсаторах транспортных электроустановок.

1. Крэйт Ф., Блэк У., «Основы теплопередачи». Пер. с англ. под ред. Анфимовой H.A., М.: Мир, 1983, с. 240 - 241.

2. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А., «Свободно — конвективный теплообмен»: справочник. Минск: Наука и техника, 1982, с. 36-37.

3. Соковишин Ю.А., Мартыненко О.Г., «Введение в теорию свободно - конвективного теплообмена». JL: изд-во ЛГУ, 1982, с. 8,9,27,102,103.

4. Dulong et Petit, «Des Recherches sur la mesure des temperatures et sur les lois de la chaleur». -Arm. Chim. Phys., 1817, t.7; 1 - p.113 — 114; 2 — p.225 - 264; 3 - p.337 — 367.

5. Oberbeck A., «Über die Wärmeleitung der Flüssigkeiten bei Berücksichtigung der Strömungeninfolge von Temperaturdifferenzen». - Ann. Phys. Chem., 1879, Bd 7, №6, s.271 - 292.

6. Lorenz L., «Über der Zeitungsvermögen der Metalle für Wärme und Electricität». - Ann. Phys. Chem., 1881, Bd 13, №8, s.582 - 606.

7. Boussinesq J. «Theorie analytique de la chaleur», t.2, Paris, 1903, p.658.

8. Boussinesq J. «Mise en équation des phenomenes de convection calorifique et aperçu sur le pouvoir fefroidissant des fluids». - c.r. Acad. Sei, 1901,1.132, №23, p.1382 - 1387.

9. Boussinesq J. «Sur le pouvoir fefroidissant d’un courant liquide on gazeux», - c.r. Acad. Sei, 1901,1.133, №5, p.257 — 262.

10. Boussinesq J. «Mise en équation des phenomenes de convection calorifique et aperçu sur le pouvoir fefroidissant des fluids». - J. Phys., 1902, ser.4, t.l, p.65 - 71.

11. Rayleigh Lord. «On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side». - Phil. Mag., 1916, ser.6, vol.32, p.529 - 546.

12. Langmuir I. «Convection and conduction of heat in gases». — Phys. Rev., 1912, vol.34, №6, p.401 - 422.

13. Ray B.B. «Free and forced convection from heated cylinder in air». -Proc. Ind. Assoc. Culit. Sei, 1920 - 1921, vol.6, p.95 — 105.

14. Kimball W.S., King W.J. «Theory of heat conduction and convection from a low hot vertical plate». - Phil. Mag., 1932, ser.7, vol. 13, №87, p.887 - 906.

15. Nusselt W., Jürges W. «Das Temperaturfeld über einer lotrechtstehenden geheizten Platte». - VDI - Z., 1928, Bd 72, №18, s.597 - 603.

16. Gröber H. «Die Gründgesetze der Wärmeleitung und der Wärmeüberganges». Berlin, 1921, s.271.

17. Гухман A.A. «К теории теплообмена в потоке свободно движущегося газа». - Труды Гос. физ.-техн. лаб., 1926, вып.4, с.43 — 89.

18. Гухман A.A. «Физические основы теплопередачи». JI. - М.: 1926, с.316.

19. Schmidt E., Beckmann W. «Das Temperature - und Greschwindigkeitsfeld vor einer Wärme abgebenden senkrechten Platte bei natürlicher Konvektion». - Techn. Mechan. Thermodynamik., 1930, Bd 1, №10, s.341 - 349, №11, s.391 - 406.

20. Sqwyar G.B. «Modem developments in fluid dynamics». - Oxford, 1938, p.690.

21. Кутателадзе C.C. «Теплоотдача и гидродинамическое сопротивление»: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 170 -171.

22. Мильман О.О. «Теплообмен при естественной циркуляции внутри обогреваемых труб». - Теплообмен: Тр.1-й Рос. нац. конф. М.: 1994, Т.2, с.147 - 150.

23. Петражицкий Г.Б., Клюшников Ф.В., Бекнева Е.В. «Численные исследования свободно-конвективных циркуляционных течений и процессов переноса тепла в замкнутых полостях различной конфигурации». В кн.: Теплообмен-1974. М.: Наука, 1975, с.181 - 182.

24. Берковский Б.М., Полевиков В.К. «Исследования теплообмена в условиях высокоинтенсивной свободной»конвекции». В кн.: Теплообмен-1974. М.: Наука, 1975, с. 172 - 173.

25. Elenbaas W. «The dissipation of heat by free convection in inner surface of vertical tubes of different shapes of cross-section». - Physica, 1942, vol.9, No.8, p.865 - 874.

26. Aihara T. «Heat transfer due to natural convection from parallel vertical'plates». - Trans. JSME, 1963, vol.29, No.201, p.903 - 908.

27. Levy E.K., Eichen P.A., Cintam W.R., Shaw R.R. «Optimum plate spacings for laminar natural convection heat transfer from parallel vertical isothermal flat plates». - Trans. JSME, 1975, vol.97C, No.3, p.474 - 476.

28. Sparrow E.M., Bahrami P.A. «Experiments of natural convection from parallel vertical plates with either open or closed edges». — Trans. JSME, 1980, voL102C, No.2, p.221 - 227.

29. Kageyama М., Izumi R. «Natural convection in a vertical-, circular tube». - Bull. JSME, 1970, vol.13, No.57, p.382 - 394.

30. • Dyer J.R. «Natural-convective flow through a vertical duct with a restricted entry». - IJHMT, 1978, vol.21, No. 10, p. 1341 - 1354.

31. Bejan A., Tien C.L. «Fully developed natural counterflow in a long horizontal pipe with different end temperatures». - IJHMT, 1978, vol:21, No.6, p.701 - 708.

32. ' Михеев M.A., Михеева И.М. «Основы теплопередачи». М.: Энергия, 1977, с.95 - 96.

33. Петухов Б.С., Поляков А.В., Стригин Б.К. «Исследование теплообмена в трубах при вязкостно-гравитационном течении». В кн.: Тепло- и массоперенос. Т.1, М.:Энергия, 1968, с.607 — 616.

34. Петухов Б.С., Генин А.Г., Ковалев С.А. «Теплообмен в ядерных энергетических установках». М.:Атомиздат, 1974, с. 133 - 134.

35. Босворт Р.Ч.Л. «Процессы теплового переноса». М.: Гос. изд-во технико-теор. лит-ры, 1957, с.132 — 133,137.

36. Ostrach S., Adv. Heat Transfer, 8,161 (1972).

37. Watzinger A., Jons on D., Warmeubertragung von Wasser an Rohrwand bei senkrechter Strömung in Obergangsgebiet zwischen laminarer und turbulenter Strömung, Forschung, 1939, Bd 10, № 4, S. 182—196.

38. Scheele G. :F., Rosen E. M., Hanratty'T. J., Effect of natural convection on transition turbulence in vertical pipes, Canadian J. of Chem. Engng 1960 v. 38, № 3, p. 67.

39. Martinelli R. C. andBoelter L. M. K., The analytical prediction "I superposed free and forced viscous convection in a vertical pipe, University of California Publications in Engng, ,1942, v. 5, № 2, p. 23—58.

40. M a r t i n e 11 у R. C., Southwell C. J., A 1 v e s G., С r a i g H. L„ Weinberg E. G., (Lansing N. F. and Boelter L. M. K-, Heat transfer and pressure drop for a fluid flowing in the viscous region through a vertical pipe, Trans. ASME. 1942, v. 38, № 3, p. 493—530.

41. Pigford R. L., Chem. Engng Progress, Symposium series, 1955, v № 17.

42. Rosen E. M., Hanratty T. J., A. I. Ch. E. Journal, 1961, v. 7№1 pp. 112—123.

43. Петухов Б. С., Но льде Л. Д., Теплообмен при вязкостно - гравитационном течении жидкости в трубах, «Теплоэнергетика», 1959, 1.

44. Аладьев И. Т., Михеев М. А. и Федынский О. С., Зависимость теплоотдачи в трубах от направления теплового потока и естественной конвекции, Изв. АН СССР, ОТН, 1951, № 1, стр. 53—67.

45. Kern D. Q. and Othmer D. F., Effect of free convection on viscous heal transfer in horisontal tubes, Trans. Amer. Inst. Chem. Eng., 1943, v. 39, № 4, p. 517 555; № 5, p. 579.

46. Петухов Б. С. О Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах, «Энергия», 1967, 412с.

47. Остроумов Г. А., Математическая теория установившейся теплопередача в круглой вертикальной скважине при суперпозиции вынужденной и свободной ламинарной конвекции, ЖТФ, 1950, т. 20, вып.

6, стр. 750—757.

48. Ilallman Т. М., Combined forced and free-laminar heat transfer in vertical tubes with uniform internal heat generation, Trans. ASME, 1956, v. 78, p. 1831—1841.

49.Brown W. G., (Die Überlagerung von erzwungener und natürlicher Konvektion bei niedrigen Durchsätzen in einem lotrechten Rohr, VDI-Forschungsheft, I960, Bd 26, № 480, S. 1—31.

50. Kirschbaum E., Neues zum Wärmeübergang mit und ohne Änderung (let, Aggregatzustandes, Chem.-Ing.-Technik, 1952. 24, № 7, S. 391—400.

51. T а о L. N., On combined free and forced convection in channels, J. of Heat Transfer (Trans. ASME, Ser. C), I960, v. 82, № 3, p. 233—238.

52. Ostrach S., On the flow, heat transfer and stability of viscous fluids subject to body forces and heated from below in vertical channels, Cb. «50 Jahre Grenzschicht- forschung», Braunschweig, 1955.

53. Han L. ;S., Laminar heat transfer in rectangular channels, J. of Heat Transfer (Trans. ASME, Ser. C), 1959, v. 81, № 2, p. 121—128.

54. T a о L. N., Heat transfer of combined free and forced convection in circular and sector tubes, Appl. Scient. Res., 1960, v. AO, № 5, p. 357—368.

55. Lu Pan-С hang, Combined free and forced-convection heat-generating laminar flow inside vertical pipes with circular sector cross sections, J. of Heat Transfer (Trans. ASME, ;Ser. C), 1960, v. 82, № 3, p. 227—232.

56. Morton B.R., Laminar convection in uniformly heated horizontal pipes at low Rayleigh numbers, Quart. J. Mech. a. Appl. Math., 1959. v. 12, №

4, p. 410-—420.

57. Петухов Б.С. и Поляков А. Ф., Экспериментальное исследование теплообмена при вязкостно-гравитационном течении жидкости в горизонтальной трубе, «Теплофизика высоких температур», 1967, т. 5, №1.

58. Петухов Б. С. и Поляков А. Ф., О влиянии свободной конвекции на теплоотдачу при вынужденном течении в горизонтальной^ трубе, «Теплофизика высоких температур», 1967, т. 5, № 2.

59. Остроумов Г. А., Свободная конвекция в условиях внутренней задачи, Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1952.

60. Сережкин Леонид Николаевич. Исследование устойчивости естественной циркуляции в' горизонтальном ¡ теплообменнике с вытяжной шахтой: диссертация кандидата технических нау : 01.04.14.- Калуга, 2006.180 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/1562. .

61. Чистяков' Є.Ф., Радун Д.В; «Теплотехнические измерения и приборы». М.: изд-во «Высшая школа», 1972, с.49 — 51, 285 - 287. .

62. Schiller L. «Die Entwickung der laminaren Geschwindigkeit und ihre Bedeutung für die Zähigkeitsmessungen. - Z. angew. Math. Mech., 1922, Bd. 2. S. 96-106.

63. Альтшуль А.Д. «Гидравлическое сопротивление». M.:

Строиздат. 1978. с. 108. .

64. Цыганков- A.C. «Расчеты теплообменных' аппаратов». Л.: Судпромгиз. 1956. с 115 — 132.

65. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М: Зорина. 2-е изд., М.: 1988. с. 26 - 32.

66. Идельчик И.Е. «Аэродинамика промышленных аппаратов». М.: Энергия. 1964. с. 14-15, 55-78.

67. Исаченко В.П., Осипова В.Ф., Сукомел A.C. «Теплопередача». М.: Энергоиздат, 1981, с.235 - 239.

68. Михеев М.А., Михеева И.М. «Основы теплопередачи». М.: Энергия, 1977, с.95 — 96.

69. Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт O.K. и др. «Теплотехника»; под ред. А.П. Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.78-89.

70. Зубарев В.H., Александров A.A. «Практикум по технической термодинамике». М.: Энергия, 1971, с.12 — 23.

71. Григорьев В. А., Зорин В.М. «Справочник по теплотехническому эксперименту»; под ред. В. А. Григорьева. М: Энергоатомиздат, 1988, с.560.

72. Мильман О.О. «Теплообмен при естественной циркуляции внутри обогреваемых труб». — Теплообмен: Тр.1-й Рос. нац. конф. М.: 1994, Т.2, с.147 - 150.

73. Шенк X. «Теория инженерного эксперимента». М.: Мир, 1972, С.100- 107.

74. Гусев С.Е., Шкловер Г.Г. «Свободно-конвективный теплообмен при внешнем обтекании тел». М.: Энергоатомиздат, 1992, с.52 -56.

75. Кассандрова О.П., Лебедев В.В. «Обработка результатов измерений». М.: Наука, 1970, с. 15 — 35.

76. Батунер Л.М., Позин М.Е. «Математические методы в химической технике». Л.: Химия, 1971, с.521 - 527.