Теплогидравлическая эффективность профилированных каналов различной формы при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения теплоносителей

• Автор: Яркаев, Марсель Зуфарович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 149 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Глава 1. Современное состояние исследований и разработок теплообменного
оборудования с профилированными теплообменными поверхностями
1.1 Современные требования к теплообменному оборудованию и методы интенсификации теплоотдачи
1.2 Исследования гидросопротивления и теплоотдачи каналов с периодическими кольцевыми выступами
1.3 Исследования гидросопротивления и теплоотдачи каналов со сферическими выступами
1.4 Исследования гидросопротивления и теплоотдачи при поперечном обтекании пучков профилированных труб
1.5 Теплообменные аппараты с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи
1.6 Постановка задач на исследования 35 Глава 2. Экспериментальное оборудование, методика проведения и обработки опытов,
оценка ожидаемой погрешности измерений
2.1.1 Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических характеристик и визуализации течения в профилированных каналах
2.1.2 Геометрия исследованных труб с кольцевыми и сферическими выступами. Экспериментальные образцы
2.1.3 Методика проведения экспериментальных исследований гидросопротивления и теплоотдачи профилированных труб
2.1.4 Методика обработки экспериментальных данных по гидросопротивлению и теплоотдачи профилированных труб
2.1.5 Оценка ожидаемой погрешности результатов эксперимента
2.1.6 Тестовые опыты по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче гладкой трубы
2.2.1 Воздушный стенд для исследования внешнего обтекания трубных пучков со сферическими выемками
2.2.2 Методика проведения эксперимента по исследованию гидравлического сопротивления пучков труб со сферическими выемками
2.2.3 Методика обработки экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению пучков труб со сферическими выемками
2.2.4 Оценка ожидаемой погрешности результатов эксперимента
2.2.5 Тестовые опыты по внешнему обтеканию гладкотрубных пучков
2.3.1 У ниверсальный экспериментальный стенд для испытания теплообменных аппаратов
2.3.2 Методика проведения испытаний теплообменного аппарата типа «вода-вода»
2.3.3 Методика проведения испытаний теплообменного аппарата типа «вода-воздух»
2.3.4 Методика проведения испытаний теплообменного аппарата типа «масло-тосол»
2.3.5 Методика обработки результатов испытаний теплообменных аппаратов
Глава 3. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплоотдачи каналов с кольцевыми и сферическими выступами. Анализ результатов экспериментального исследования
3.1 Гидравлическое сопротивление и теплоотдача труб с кольцевыми выступами на переходных режимах течения
3.2 Оценка теплогидравлической эффективности труб с кольцевыми выступами
3.3 Анализ гидродинамической картины обтекания и механизмов интенсификации теплоотдачи в каналах со сферическими выступами
3.4 Гидравлическое сопротивление и теплоотдача труб со сферическими выступами
3.5 Оценка теплогидравлической эффективности труб со сферическими выступами
3.6 Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления при внешнем обтекании трубных пучков
Глава 4. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик кожухотрубных теплообменных аппаратов с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи для различных теплоносителей
4.1 Основные геометрические и габаритные параметры интенсификаторов и кожухотрубного теплообменного аппарата
4.2 Исследование теплогидравлических характеристик теплообменного аппарата типа «воздух-вода»
4.3 Исследование теплогидравлических характеристик теплообменного аппарата типа «вода-вода»
4.4 Исследование теплогидравлических характеристик теплообменного аппарата типа «масло-тосол»
4.5 Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по тепловой мощности теплообменных аппаратов
4.6 Разработка кожухотрубных теплообменных аппаратов для транспортных систем ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования: к современному теплообменному оборудованию
предъявляется большое количество технических требований, в том числе по обеспечению передачи требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур при возможно большей интенсивности теплообмена при возможно меньших габаритах и наименьшей удельной металлоемкостью. При эксплуатации теплообменных аппаратов возникают задачи защиты теплообменных поверхностей от загрязнения и коррозии.
Описанные требования повышения эффективности и компактности теплообменных аппаратов в основном решаются применением новых схем компоновок, использованием перспективных способов и технологий интенсификации теплоотдачи, в том числе организации вихревых и отрывных течений. Данные методы интенсификации по существу снижают термическое сопротивление пристенных слоев при конвективном теплообмене в теплообменнике.
В современных теплообменных аппаратах в основном используются малоэнергоёмкие, пассивные методы интенсификации теплоотдачи, например, профилированные (дискретношероховатые) поверхности. Это один из первых предложенных способов интенсификации теплоотдачи при однофазной конвекции. Данный способ отличается технологичностью, а также высокой теплогидравлической эффективностью и в настоящее время. Структура профиля поверхности может являться неотъемлемой частью теплообменной поверхности (равномерно нанесенные или дискретные двух-, трехмерные выемки/выступы и т.д.) или являться элементами проволочных или прочих вставок. В первом случае профиль достигается механической обработкой поверхности (например, накатка, нарезание резьбы, нарезание пазов), штамповкой, отливкой, сваркой. В результате, возможно, получить практически бесконечное количество разнообразных геометрических конфигураций элементов профиля поверхности.
В данной работе проведены исследования теплогидравлических характеристик труб со сферическими и кольцевыми выступами при вынужденном течении теплоносителя, исследования гидравлического сопротивления при поперечном обтекании пучков труб со сферическими выемками на поверхности, а также испытания кожухотрубного теплообменного аппарата со сменными пучками труб, на которых нанесены системы сферических и кольцевых выступов, для различных пар теплоносителей, в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.

теплообменного оборудования выпускаются компаниями HRS Group (Испания), Teralba Industries (Австралия), JBT FoodTech (США), ЗиО (Россия).
1.6 Постановка задач на исследования
К современному теплообменному оборудованию предъявляется большое количество технических требований, в том числе по обеспечению передачи требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур при возможно большей интенсивности теплообмена и возможно меньшим габаритам и наименьшим удельным металлоемкостям при заданных рабочих параметрах. При эксплуатации теплообменных аппаратов возникает и задачи защиты теплообменных поверхностей от загрязнения и коррозии.
Описанные требования повышения эффективности и компактности теплообменных аппаратов решаются применением интенсификации теплоотдачи. Из большого списка методов интенсификации теплоотдачи в трубах и каналах теплоообменного и энергетического оборудования выделяют поверхностные интенсификаторы обладающие наилучшей теплогидравлической эффективностью. Применение поверхностных интенсификаторов теплоотдачи позволяет воздействовать на пристенные области потока, в которых сосредоточена значительная доля (до 84,3% [3]) термического сопротивления при конвективном теплообмене. Образование вихревых потоков уменьшает загрязнение теплообменных поверхностей, сохраняют высокий уровень теплопередачи продолжительные периоды эксплуатации теплообменного оборудования.
В современных теплообменных аппаратах в основном используются малоэнергоемкие, пассивные методы интенсификации теплоотдачи, такие как профилированные поверхности. Данный метод технологичен, эффективен и сегодня. Профилирование поверхности производится нанесением рельефов выемок или выступов различной формы, которые являются неотъемлемой частью теплообменной поверхности или являются элементами проволочных или прочих вставок. В настоящее время экспериментально исследовано значительное количество разнообразных геометрических конфигураций элементов профилированных поверхностей труб и каналов теплообменного и энергетического оборудования. Стоит отметить, что вопросы выбора рациональной формы, геометрических и основных режимных параметров поверхностных интенсификаторов теплоотдачи часто не решены.
Обзор литературы показал, что:
1) Исследования теплоотдачи и гидросопротивления каналов с кольцевыми выступами проведены в ограниченном количестве работ. Основная часть работ направлена на исследования течения и теплообмена при турбулентном режиме течения, а для ламинарного и