Влияние переменности свойств жидких и газообразных теплоносителей на коэффициенты теплоотдачи при установившемся ламинарном режиме в трубчатых теплообменниках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Сенникова, Ольга Борисовна

• Сенникова, Ольга Борисовна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сенникова, Ольга Борисовна

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. Анализ зависимостей теплопроводности и вязкости от температуры и давления с помощью релаксационной модели.

1.1. Основы релаксационной модели.

1.2. Анализ коэффициентов теплопроводности и вязкости воды и водяного пара в зависимости от температуры и давления.

1.3. Анализ коэффициентов теплопроводности и кинематической вязкости воздуха в жидком и газообразном состояниях.

ГЛАВА 2. Анализ влияния переменности теплофизических свойств на теплоотдачу в трубчатых теплообменниках при ламинарном течении.

2.1. Литературный обзор.

2.2. Теплообмен при гидродинамически установившемся течении в круглой трубе.

2.3. Гидравлические сопротивления при ламинарном движении жидкости в трубах.

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи при ламинарном течении на стабилизированном участке трубчатого теплообменника.

3.1. Конструкция лабораторного стенда для исследования теплообмена.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние переменности свойств жидких и газообразных теплоносителей на коэффициенты теплоотдачи при установившемся ламинарном режиме в трубчатых теплообменниках»

Анализу работы теплообменных аппаратов различных типов и назначения посвящено огромное количество работ. Однако сложность и многообразие конструкций и процессов, протекающих в теплообменниках, не дает возможности сделать заключение об исчерпанности темы. Актуальность проблемы как в научном, так и в практическом значениях очевидна. Оптимальное конструкционное и режимное исполнение любого теплообменного аппарата определяет возможность его практического применения, включая решение вопросов теплоснабжения и энергосбережения. Широкое применение теплообменные аппараты находят и в легкой и текстильной промышленности. При наличии большого числа исследований теплообменников, расчет и проектирование их, как правило, выполняются при средних значениях теплофизических параметров. Хотя учет их температурной зависимости достаточно детально рассматривался в ряде работ, решение проблемы сводится в основном к введению поправок в соответствующие критериальные уравнения.

Применение релаксационной модели процессов переноса тепла и импульса позволяет получить достаточно точные полуэмпирические закономерности температурной зависимости теплофизических свойств. Подстановка этих зависимостей в критериальные уравнения позволяет выполнить решение протекания процессов в теплообменниках с учетом переменности свойств, что выполнялось в ряде известных работ.

В данной работе была поставлена задача установить, что дает учет переменности теплофизических свойств при определенных режимах их работы для конкретных типов теплообменных аппаратов.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное установление степени влияния изменения температуры и давления теплоносителя для более качественного проектирования теплообменных аппаратов в легкой и текстильной промышленности. В качестве рабочих тел были выбраны вода, водяной пар, жидкий воздух и газообразный воздух. Для этих веществ на основе релаксационной модели были построены зависимости теплопроводности и вязкости от температуры и давления, а затем с помощью специальной программы были рассчитаны коэффициенты теплоотдачи. Расчет был проведен как при средних значениях теплофизических параметров, так и при учете исчерпаемости свойств. Полученные решения были сравнены с экспериментальными данными на созданной для этой цели установке с помощью тепловизионной системы ThermaCAM SC 3000.

Научная новизна диссертации заключается в:

- построении с помощью релаксационной модели зависимости коэффициентов теплопроводности и вязкости от давления; теплофизическом модельном обосновании зависимости теплопроводности и вязкости от температуры и давления;

- определении на основе релаксационной модели изменения чисел Прандтля от температуры и давления.

Анализ на основе релаксационной модели изменения числа актов рассеяния у воды и жидкого воздуха с ростом давления при постоянных температурах позволил предположить упорядочение структуры в них, вызванное увеличением давления.

Достоверность достигнутых результатов подтверждается хорошим совпадением эмпирических данных, полученных на лабораторной установке данными, полученными расчетным путем, а также сравнением этих данных с характеристиками установок, применяемых для исследования теплоотдачи в трубах при ламинарном режиме и известных из литературных источников.

Практическая ценность работы заключается в установлении теоретически обоснованного подтверждения положения, заключающегося в том, что значения коэффициентов теплоотдачи в трубчатых теплообменниках при ламинарном течении, установленные экспериментально и рассчитанные с учетом температурной зависимости теплофизических свойств, превышают на величину ~ 25% значения, рассчитанные при средних значениях теплопроводности и вязкости.

Это, естественно, позволяет при заданных значениях теплового напора при проектировании создавать более компактные и энергоемкие трубчатые теплообменные аппараты, использующие рассмотренные в работе рабочие тела.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были опубликованы в следующих печатных работах:

1. Сравнительный анализ методов интенсификации теплоотдачи при кипении теплоносителей. Сборник научных трудов аспирантов. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002. Выпуск 5, с.115-121.

2. К вопросу об оптимизации режимных и конструктивных параметров контура промежуточного теплоносителя испарительных термосифонов. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2001) 27-28 ноября 2001 г. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002, с.168-169.

3. Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001,-233 е., ил. (монография в соавторстве) и докладывались на научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 2000-2002 гг.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и приложения.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Сенникова, Ольга Борисовна

103 ВЫВОДЫ

1. На основе релаксационной модели теплопроводности и вязкости получили экспериментальные зависимости влияния температуры и давления для воды , водяного пара, жидкого и газообразного воздуха на коэффициенты рассеяния в виде п = А*ТХ и m = В*ТУ.

2. Показано, что с ростом температуры и давления для воздуха в жидкой фазе значения пит увеличиваются; для газообразного воздуха с ростом температуры эти коэффициенты уменьшаются, а с ростом давления -увеличиваются; для воды с ростом давления значения тип уменьшаются, а с ростом температуры - увеличиваются; для водяного пара параметры п и m с ростом давления увеличиваются, а с ростом температуры - уменьшаются.

3. Рассчитанные на основе релаксационной модели числа Прандтля для воды, водяного пара, жидкого и газообразного воздуха с увеличением температуры уменьшаются, а с ростом давления - увеличиваются.

4. Для экспериментального измерения коэффициента теплоотдачи в трубчатых теплообменниках была создана установка, позволяющая проводить измерения полей температур на границе «рабочее тело» - стенка с помощью тепловизионной системы Thermo САМ 3000.

5. Экспериментальные исследования коэффициентов теплоотдачи для ламинарного течения воды на этой установке показали, что полученные значения критерия Нуссельта и коэффициентов теплоотдачи в реальных условиях,

104 учитывающих температурные изменения теплофизических свойств, отличаются от расчетных на ±10%.

6. Экспериментально подтверждено, что отличие реальных коэффициентов теплоотдачи от теоретических объясняется пульсациями температуры жидкости в пристеночном слое, вызванными диффузионными процессами.

7. Результаты расчета теплообменных аппаратов текстильной промышленности с учетом переменности свойств рабочих тел показали, что отличие в коэффициентах теплопередачи по сравнению с расчетными осредненными значениями достигает 25% в сторону увеличения.

105

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сенникова, Ольга Борисовна, 2003 год

1. Ривкин C.J1. Термодинамические свойства газов,-М.: Энергия, 1973.

2. Варгафтик Н.Б. Справочник по физическим свойствам газов. М.: Наука, 1973.

3. Булекова Т.А., Воронович С.А., Жмакин Л.И. и др. Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла, Под ред. профессора А.С. Охотина. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001.

4. Охотин А.С., Жмакин Л.И., Марюшин Л.А., Увдиев Д.Я. Процессы и механизмы переноса. М.: Компания Спутник +, 1999.

5. Лыков А.В. Тепломассообмен, справочник. -М.: Энергия, 1972.

6. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

7. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена, ч. 1. М.: Высшая школа, 1970.

8. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.

9. Охотин А.С., Жмакин Л.И. К вопросу о механизмах переноса энергии и импульса, ИФЖ, т.70,1997.

10. Ю.Кирилин В.В., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Энергия, 1968.

11. П.Сычев В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. М.: Наука, 1981.

12. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

13. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970.

14. Жданов В.М., Алиевский М.Я. Процессы переноса и релаксации в молекулярных газах. М.: Наука, 1989.

15. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. -М.: Мир, 1968.

16. Таблицы физических величин. Справочник под редакцией И.К.

17. Кикоина. -М.: Атомиздат, 1976. 17.0хотин А.С., Марюшин JT.A., Жмакин Л.И. Теплопроводность. Модели, механизмы, экспериментальные данные. М: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2000.

18. Цедерберг Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей. M.-J1.: Госэнергоиздат, 1963.

19. Филиппов Л.П. Прогнозирование тепло физических свойств, жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат.

20. Роберте Дж. Теплота и термодинамика. M.-JL: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1950.

21. Камья Ф.М. Импульсная теория теплопроводности. М.: Энергия 1972.

22. Геращенко О.А. Основы тепломатерии. Киев.: Наукова Думка. 1971.

23. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостей. Издательство Московского Университета, 1970.

24. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические приборы и измерения. -М.: Высшая школа, 1972.

25. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М.-Л.: Машгиз, 1957.

26. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М,-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1953.

27. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967.

28. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.

29. Шнайдер П., Инженерные проблемы теплопроводности. М.: Издательство иностранной литературы, 1960.

30. ЗО.Эккерт Э.Р., Дрейк P.M., Теория тепло-и массообмена. М.:

31. Госэнергоиздат, 1961. 31.Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С., Теплопередача, издание второе. -М.: Энергия, 1969.

32. Тарг С.М., Основные задачи теории ламинарных течений. М.: Гостехиздат, 1951.

33. Бретшнайдер С., Свойство газов и жидкостей. М.: Химия, 1968.

34. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А, Ярхо С.А., Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990.

35. Александров А.А., Международное уравнение состояния воды и водяного пара. М.: Теплоэнергетика, 1997.

36. Ид А.Дж., Свободная конвекция. М.: Мир, 1970.

37. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1972.

38. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: Издательство стандартов, 1976.

39. ГОСТ Р50431-92. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. М.: Издательство стандартов, 1993.

40. Долинский Е.Д., Обработка результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1973.

41. Иванов Г.М., Кузнецов Н.Д, Чистяков B.C., Технические измерения и приборы, М.: Энергоатомиздат, 1984.

42. Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие/ под ред. А.С. Клюева. М.: Энергоатомиздат, 1994.

43. Преображенский В.П., Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.

44. Приборы и средства автоматизации. Приборы для измерения и регулирования температуры. Отраслевой каталог. М.: Информприбор, 1992, 1994.

45. Линевиг Ф., Измерение температур в технике: Справочник: перевод с немецкого. М.: Металлургия, 1980.46.0сипова В.А., Экспериментальное исследование методов теплообмена, третье издание. М.: Энергия 1979.

46. Температурные измерения: Справочник / О.А. Геращенко, А.Н. Гордов, В.И. Лах и др. Киев.: Наукова думка, 1989.

47. Голубев И.Ф., Гнездилов Н.Е., Вязкость газовых смесей. М.: Издательство стандартов, 1971.

48. Платунов Е.С., Буравой Е.С., В.В. Курепин, Г.С. Петров, Теплофизические измерения и приборы. Под общей редакцией Е.С. Платунова. JI.: Машиностроение, 1986.

49. ГСССД 8-79. Воздух жидкий и газообразный. Плотность, энтальпия, энтропия, и изобарная теплоемкость при температурах 70-1500 К и давлениях 0,1-100 МПа. Таблицы стандартных справочных данных. -М.: Издательство стандартов, 1980.

50. ГСССД 98-86. Вода. Удельный объем и энтальпия при температурах 0-800°С и давлениях 0,001-1000 МПа, Таблицы стандартных справочных данных. М.: Издательство стандартов, 1986.

51. Методы измерения температур. Сборник статей под редакцией В.А. Соколова, 4 1,2,- М.: Издательство иностранной литературы, 1954.

52. Гордов А.Н., Температурные шкалы. М.: Стандартгиз, 1966.

53. Температура и ее измерение. Сборник докладов под редакцией А. Арманда, К. Вульфсона, Перевод с английского. М.: Издательство иностранной литературы, 1960.

54. ГОСТ 12442-66. Тепловые измерения. М.: Стандартгиз, 1966.

55. Голубев И.Ф. Вязкость газов и газовых смесей. М.: Физматгиз, 1959.

56. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.

57. Radford W., Murphy D., Ray M. et al. silicon microbolometers uncooled IRFPAs with on-chip offset correction // Infrared Detectors and Focal Plane Arrays IV /Ed. E. L. Derenmk, R. E. Sampson; Proc. SPIE. 1996. 2746. P. 82.

58. Ковалев А.В., Федчишин В.Г., Щербаков М.И. Тепловидение сегодня // Специальная техника. 1999. № 3.

59. Курбатов JI.H. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра. М: Изд.-во МФТИ, 1999.

60. Справочник по инфракрасной технике. / Под ред. У. Волфа, Г. Цисиса. Том 4. Проектирование ИК-систем. -М: Мир, 1999.

61. Михеев М.А., Филимонов С.С., Хрусталев Б.А. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления при движении воды в трубах. См. настоящий сборник

62. Казин М.Г. Исследование теплообмена при ламинарном течении масла в прямой трубе. Канд. дисс., Нижний Тагил, 1949.

63. Петухов Б.С. Теплоэнергетика, № 9, 1954.

64. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., Изд. иностр. лит., 1956.

65. Михеев М.А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, М., 1956.

66. Петухов Б. С., Краснощеков Е.А. Сб. Теплопередача и тепловое моделирование. М., Изд. АН СССР, 1959.

67. Магомедов А.Д. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления вязких жидкостей в трубах. Канд. дисс., ЭНИН АН СССР, М., 1954.

68. Аладьев И. Т. Изменение коэффициента теплоотдачи по длине трубы. Канд. дисс., ЭНИН АН СССР, 1949.

69. Эккерт Э.Р. Введение в теорию тепло- и массообмена, ГЭИ, 1957.

70. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене, ИИЛ, 1958.

71. Shapiro A., Siegel R., Юте S.J. Proc. Of Sec. US National Congress of Applied Mechanics, 1954.

72. Ma Тун цзе. Развитие процесса теплоотдачи в трубах при ламинарном режиме. М.АН СССР, 1962.