Теплоотдача и сопротивление продольноомываемых поверхностей нагрева судовых теплообменных устройств, скомпонованных из труб, профилированных сферическими углублениями

• Автор: Мунябин, Кирилл Леонидович
• Шифр специальности: 05.08.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 171 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения и индексы

Введение

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ТЕПЛООБМЕНА НА ПРОФИЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ..

1.1. Способы интенсификации теплообмена

1.2. Интенсификация теплообмена сферическими углублениями

1.2.1. Структура течения

1.2.2. Конвективный теплообмен и гидравлическое сопротивление..

1.2.3. Эффективность интенсификации теплообмена
1.3. Интенсификация теплообмена сферическими выступами
1.4. Постановка задач исследования
ГЛАВА 2. ОБОБЩЕНИЕ ДАННЫХ ПО ТЕПЛООТДАЧЕ И
СОПРОТИВЛЕНИЮ В КАНАЛАХ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
2.1. Постановка задачи аналитического исследования
2.2. Экспериментальные данные, используемые в аналитическом исследовании
2.3. Обобщающие уравнения подобия и методические принципы их выведения
2.4. Моделирование тепло-гидравлических характеристик труб со сферическими выступами на внутренней поверхности
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1. Экспериментальная стендовая установка
3.2. План эксперимента и опытные образцы
3.3. Система измерений, методика проведения экспериментов и обработки полученных данных
3.4. Оценка погрешностей измерений
3.4.1. Погрешности термоэлектрических измерений
3.4.2. Случайные погрешности прямых и косвенных измерений
ГЛАВА 4. ТЕПЛООТДАЧА И СОПРОТИВЛЕНИЕ НА ПОВЕРХНОСТЯХ,
ПРОФИЛИРОВАННЫХ СИСТЕМОЙ СФЕРИЧЕСКИХ
УГЛУБЛЕНИЙ И ВЫСТУПОВ
4.1. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи и сопротивления на поверхностях со сферическими углублениями

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ср - удельная теплоемкость, кДж/(кг-К)
Д <1 - диаметр, м
а?э - эквивалентный, гидравлический диаметр, м Я, А - высота, м Ь - длина, м
N11 - безразмерный коэффициент
теплоотдачи (число Нуссельта)
р - давление, Па
Рг - число Прандтля
Q - объемный расход, м3/ч
д - плотность теплового потока, Вт/м
Я - термическое сопротивление, (м2-К)/Вт
Де - число Рейнольдса
Бг = - ^-и число Стентона
Яе- Рг
? - шаг, м
а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К)
А - теплопроводность, Вт/(м-К)
V - кинематическая вязкость, м2/с ^ - коэффициент гидравлического сопротивления р - плотность, кг/м
ОСНОВНЫЕ ИНДЕКСЫ
1 - параметр греющего теплоносителя
2 - параметр нагреваемого теплоносителя f - параметр потока
вн, н - соответственно параметры внутреннего и наружного геометрического размера
гл - параметр гладкой поверхности к - параметр кольцевой канавки л - параметр сферического углубления-лунки ср - среднее значение величины ст - параметры стенки канала
Условные обозначения и индексы, не вошедшие в список, поясняются в тексте.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Теплообменные устройства (теплообменные аппараты и котлы) являются одними из важнейших элементов судовых энергетических установок (СЭУ). Их эксплуатационные параметры влияют на топливную экономичность, эксплуатационную надежность, стабильность характеристик во времени, экологическую безопасность и другие показатели энергетических установок.
Существующее в мировой и отечественной практике ужесточение требований к характеристикам судовых энергетических установок побуждает конструкторов элементов СЭУ, в том числе и разработчиков теплообменной аппаратуры, искать новые конструктивные решения и внедрять новые физические принципы, способствующие улучшению показателей тепловой и энергетической эффективности, компактности, надежности и других показателей теплообменных устройств (ТУ).
В связи с этим особый интерес проявляется к способам пристенной интенсификации теплообмена, которые имеют высокую энергетическую эффективность вследствие турбулизации лишь пристенной области течения. В результате этого затраты энергии на прокачку теплоносителя значительно сокращаются по сравнению с затратами при турбулизации ядра потока. Пристенные интенсификаторы теплообмена могут иметь различное конструктивное исполнение. Это выступы и выемки различной формы (цилиндрические, сферические, призматические и др.), расположенные на теплообменной поверхности вдоль, поперек или наклонно по отношению к направлению потока.
Пристенная интенсификация теплообмена, в условиях внутренней задачи, наиболее эффективна в случае применения плавноочерченных кольцевых выступов на внутренней поверхности труб. При течении потока в межтрубном пространстве высокий уровень интенсификации теплоотдачи достигается, как правило, благодаря поперечному обтеканию шахматных или коридорных пучков труб. Однако использование поперечнообтекаемых пучков труб связано с существенным ростом гидравлического сопротивления и ухудшением компактности.
В последнее время пристальное внимание многих исследователей привлекает интенсификация теплообмена с помощью сферических выемок (углублений, лунок) на поверхности. Именно профилирование продольноомываемых труб судовых ТУ упорядоченными системами сферических углублений представляется наиболее перспективным решением задачи интенсификации теплоотдачи как на наружной поверхности труб, так и внутри их, при сопоставимом темпе увеличения гидравлического сопротивления.

В работе [51] приводятся рабочие диаграммы для расчета тепло- и массооб-мена в различных каналах. Диаграммы имеют вид зависимостей (2.3) и (2.4) для ряда постоянных чисел Прандтля (Рг = 3; 10; 30; 100; 300 и 500).
Пересчет коэффициентов теплоотдачи Мщ,, отнесенных к среднелогарифмической разности температур, к используемым в [51] коэффициентам "Ми., производится с помощью полученных О. Кришером уравнений.
Несомненным достоинством метода О. Кришера является то, что для решения сложных задач теплопереноса в области между внешним обтеканием и течением в канале (засыпки, трубные пучки и т.п.) единое представление позволяет описать сложные задачи переноса известными зависимостями.
К недостаткам приведенного метода следует отнести:
1. Неприемлемость для инженерных расчетов в силу своей громоздкости;
2. Существенные отклонения результатов расчетов от опытных данных, поскольку, по словам самих авторов [51]: «решающим при обобщении многочисленных теоретических и экспериментальных результатов был отказ от стремления к большей точности...» (с.5).
Кроме того, единое описание О. Кришера не распространяется на гидродинамические процессы в каналах, что является его наиболее существенным недостатком. Посему, использование известных зависимостей, описывающих теплообмен и сопротивление в трубах, при расчетах ТУ оказывается проще и точнее.
Развитием метода обобщения параметров теплообмена и гидродинамики можно считать работу П.И. Бажана [102]. Основываясь на отдельных принципах метода О.Кришера, автор [102] вывел уравнения для расчетов теплоотдачи конвекцией и сопротивления воздуха, обобщающих обширные экспериментальные данные, изложенные в [55]:

. X 0,247 / , 0,
а, 1 [. к
БіРгД =0,158|^-1 11 + -^ | Ке^7с(; (2.5)
/л °>33/ 7 ,
1-Л | (2-6)

где БіРг3 - фактор теплоотдачи;
/ = ^ - фактор трения.
Полученные уравнения справедливы для описания тепло-гидравлических характеристик 77 разных компактных поверхностей. В их число входят пластинчато-ребристые теплообменные поверхности с гладкими, жалюзийными, волнистыми, стерженьковыми, перфорированными и короткими пластинчатыми ребрами с различными геометрическими параметрами. Кроме этого, уравнения охватывают