Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.-В.А. - Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб

ББК 31.31 Д43 УДК 621.43,016 Рецензент д-р техн, наук НИ. Иааиюпашаев 2303010000.007 О за < 0 и -33 БВК 31.31 13В17 6-217-00007-4 © Издательство "Машиностроение'", 1988. Б.В. Дзюбенко и др. 448 Нестацнонарный тепломассообмен в пучках витых труб/Б.В. Дзюбенко, Г.А. Дрейцер, Л.-В.А. Ашмантас— М.: Машиностроение, 1988.

— 240 с. ил. 18В1ч 5-217-00007-4 Изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований нестационарного и стационарного тепломассообмена при продольном обтекании потоком плотноупакованных пучков витых труб применительно к теплообменным аппаратам и другим теплообменным устройствам. Приведены рекомендации для практических расчетов рассматриваемых процессов. Для инженерно-технических работников, занимающихся исследованиями и расчетами процессов теплообмена в авиационно- космической технике, энергетике.

ПРЕДИСЛОВИЕ Теплообменные аппараты и устройства, применяемые в авиационной технике, должны обладать возможно меньшими габаритными размерами и массой при заданной тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей. Поэтому возникает необходимость в разработке рациональных методов интенсификации теплообмена в каналах различного поперечного сечения и соответствующих конструкций теплообменных поверхностей. К их числу относятся метод целенаправленной искусственной турбулизации потока только в пристенной зоне [19, 20), осуществляемой накаткой труб и созданием плавно очерченных поперечных выступов внутри труб и поперечных канавок снаружи труб; метод закрутки потока внутри витых труб овального профиля и при их продольном и поперечном обтекании [39), реализуемый протягиванием круглых труб через фильеру, придающей им заданную форму и закрутку, а также метод управляемого отрыва пограничного слоя при поперечном обтекании пучка труб [14) .

Метод закрутки потока внутри витых труб и при их продольном обтекании позволяет не только существенно снизить габаритные размеры, массу (металлоемкость) теплообменных устройств, но и интенсифицировать межканальное перемешивание теплоносителя в межтрубном пространстве, что обеспечивает выравнивание неравномерностей температуры в поперечном сечении пучка витых труб при неравномерном поле тепловыделения (теплоподвода) и боковом входе теплоносителя в аппарат. Благодаря своим преимуществам теплообменные устройства с витыми трубами могут применяться в различных отраслях промышленности.

Теплообменные аппараты с продольным и поперечным обтеканием пучков витых труб были рассмотрены в книге [39), где приведены результаты детальных исследований структуры турбулентного потока, теплообмена, гидравлического сопротивления и перемешивания теплоносителя, методы экспериментального исследования, инженерных расчетов тепломассопереноса и оценки эффективности таких теплообменных поверхностей по сравнению с гладкотрубчатыми, теплообменными аппаратами. 3 В настоящей работе рассмотрен нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб, поскольку переходные процессы, связанные с изменением режима работы, пуском или вык лючением теплообменных устройств, в ряде случаев могут иметь решающее значение. Интерес, проявляемый в настоящее время к вопросам нестационарного конвективного теплообмена в каналах, обусловлен также большой ролью, которую играют нестационарные тепловые процессы в современных энергетических установках, теплообменных аппаратах и технологической аппаратуре, а также повышенными требованиями к точности расчета этих устройств, работающих с высокой энергонапряженностью.

Нестационарные тепловые процессы в этих устройствах характеризуются высокими скоростями изменения параметров и являются в ряде случаев определяющими. Расчеты нестационарных тепловых процессов в энергетических установках, тенлообменных аппаратах, технологической аппаратуре и магистралях должны опираться на результаты фундаментальных исследований нестационарных процессов конвективного теплообмена. Эти исследования необходимы для создания надежных методов расчета температурных полей и термических напряжений, расчетов процессов разогрева и охлаждения трубопроводов, магистралей, элементов двигательных и энергетических установок и оптимизации этих процессов, для расчета переходных режимов работы различных теплообменных аппаратов, для разработки систем автоматического регулирования.

В ранее выполненных работах, обобщение которых представлено в работе ~ 241, исследовался нестационарный теплообмен в круглых трубах. В каналах сложной формы;образованных пучками витых труб, нестационарные процессы тепломассообмена имеют ряд особенностей. Эти особенности связаны прежде всего с конструкцией продольно обтекаемых пучков витых труб, которые обусловливают сложное пространственное течение в таких пучках и необходимость разработки специальных методов экспериментального исследования и расчета применительно к физически обоснованным моделям течения В книге рассмотрена модель течения гомогенизированной среды применительно к нестационарным процессам тепломассопереноса. В этом случае математическое описание модели включает наряду с уравнениями энергии, движения, неразрывности и состояния для теплоносителя и уравнение теплопро- водности для "твердой фазы" — витых труб, учитывающее влияние тепловой инерции труб на процесс.

При этом из расчета определяются поля температуры в теплоносителе и твердой фазе — витых трубах, Для замыкания системы уравнений, описывающих турбулентное течение в пучках витых труб, в книге предлагается использовать экспериментально определенные коэффициенты тепломассопереноса (турбулентной диффузии и теплоотдачи) . Для их определения были разработаны методы экспериментального исследования и созданы специальные экспериментальные установки, учитывающие специфику измерениябыстроменяющихся параметров. На этих же установках были экспериментально обоснованы модель течения и методы расчета процессов стационарного и нестационарного тепломассопереноса. В книге предложены способы обобщения опытных данных по нестацнонарному тепломассообмену в пучках витых труб при различных типах нестационарности: резком и плавном изменении тепловой нагрузки при запуске и остановке аппарата и переходе с одного режима работы на другой режим, а также при изменении расхода теплоносителя.

При этом использовались теории подобия и размерностей, на основании которых предложены критерии подобия и способы учета особенностей нестационарного процесса тепломассообмена в пучках витых труо. Определены критериальные зависимости для расчета эффективных коэффициентов диффузии и коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления для стационарных и нестационарных условий работы, которые рекомендуется использовать при теплогидравлических расчетах теплообменных аппаратов.

Рассмотрены методы расчета теплообменных аппаратов с витыми трубами с учетом межканального перемешивания, что позволяет наряду с усредненными определять и локальные параметры в рамках гомогенизированной постановки задачи. В книге анализируются и обобщаются теоретические и экспериментальные работы, выполненные как авторами, так и другими исследователями.

.Предисловие, гл. 1, 4 и разд. 3.1, 8.2 написаны Б.В. Дзюбенко, гл. 2, 5 и разд. 4.1, 4.2 — Б.В. Дзюбенко и Л-В.А. Ашмантасом, разд. 3.3. — Л-В.А. Ашмантасом, гл. 6, 7 и разд. 1.3, 3.2, 8.1 — Г.А. Дрейцером. Авторы выражают глубокую благодарность рецензенту книги профессору, д-ру техн. наук Н.И. Мелик-Пашаеву за ряд ценных советов и замечаний, которые способствовали улучшению книги. ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ и — коэффициент температуропро- водности; Ь вЂ” срединная ширина струи, Ь = =2"с ' р' с — удельная теплоемкость; с — удельная теплоемкость при Р постоянном давлении; гг — максимальный размер оваль- ного профиля трубы; г1к — диаметр пучка, г1к = 2ггчг гг — эквивалентный диаметр; ьгг — эффективный коэффициент диффузии; Š— спектральная функгшя кине- тической энергии турбулентности ~' — частота; à — площадь поперечного сечения труб в пучке; гп — площадь проходного сече- ния пучка", Рх — проекция массоных сил на ось х; С вЂ” массовый расход воздуха; С; — аксиальный расход теплоно- сителя в ячейке; Сгг — поток теплоносителя в по- перечном направлении из ячейки г в ячейку 1 на единице длины ка- нала; х — ускорение свободного паденигг, г — энтальпия; К вЂ” безразмерный эффективный коэффициент диффузии; Ктт — параметр нестационарной теплопровадности; КΠ— параметр, характеризующий влияние изменения расхода тепло- носителя; Кгзу — параметр тепловой неста- циоиарности; Кгг — отношение нестационарного коэффициента теплоотдачи к его квазистациоиарному значению; К» — отношение нестацнонарного коэффициента гидравлического сопротивления к его квазистацио- нарному значению; Л вЂ” пространственный интеграль- ный масштаб турбулентности; 1 — длина пучка; путь смешения; т — пористость пучка по теплоно- сителю; лг = 1гп1Р~', ггг — тепловая мощность; число труб в пучке; д — плотность теплового потока; ггс — плотность теплового потока на стенке; г1 — плотность внутренних источников тепла; р — статическое давление; Р— шаг размещения труб в пучке; рп — полное давление; Ьр — перепад давлений; гчт — коэффициент автокорреляции; à — радиальная координата; ге — радиус источника диффузии; гк — радиус пучка; гор срединный радиус струн' ги — радиус размещения источцика диффузии; 5 — шаг закрутки профиля трубы; оз — шаг закрутки витых труб относительно оси пучка; Т вЂ” температура; Тц — среднемассовая температура; 1 — время; и, ч, и' — составляющие усредненной скорости г'' в ортогональной системе координат; и — среднерасходная скорость; и, ч', иг — составляющие пульса- Р ционной скорости; гаи — избыток скорости в ядре потока; чг,ч„ — тангенциальная и радиальная составляющие скорости в цилиндрической системе координат; Р' — модуль вектора усредненной скорости; чг — средняя квадратическая пульсационная скорость; х — продольнан координата; расстояние от источника диффузии; у †среднестатистическийквадр перемещения; Х вЂ” специальное число Рейнольдса; а — коэффициент теплоотдачи; плг — безразмерный коэффициент теплоотдачи; Д вЂ” безразмерный коэффициент трения; коэффициент объемного расширения; у — угол закрутки витых труб относительно оси пучка; 1' — интегральный временной масштаб турбулентности; 5 — толщина пристенного слоя; толщина стенки; 5 е — толщина вытеснения пограничного слоя; — коэффициент турбулентной Ч температуропроводности; х — относительный эффективный коэффициент диффузии; Х вЂ” коэффициент теплопровадности; д — динамический коэффициент вязкости ' — коэффициент межканального перемешивания; и — кинематический коэффициент вязкости; пэфф лэфф — эффективные коэффициенты вязкости и теплопроводности; $ — коэффициент гидравлического сопротивления; П вЂ” периметр канала; р — плотность; о — среднеквадратичное отклонение; т — время; временная задержка; т„с — осевая составляющая касательного напряжения на стенке; т гс — тангенциальная составляющая касательного напряжения на стенке; тт е — тангенциальная составляющая касательного напряжения на оси канала; т1;с — суммарное касательное напряжение на стенке; д — угловая координата; Х вЂ” коэффициент теплопередачи; Ро — критерий Фурье; Ргм — критерий, характеризую- щий особенности течения в пучке витых труб; Но — безразмерное время (кри- терий'гомохронности); 1.е — критерий Льюиса; Ыц — критерий Нуссельта; Рт — критерий Прандтля; Ке — критерий Рейнольдса.