Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.-В.А. - Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб, страница 11

При числах Ке ( 10" наблюдаетея отклонение пульсаций скорости от закона Гаусса в пучке витых труб, что свидетельствует об анизотропности турбулентности в таких пучках в этом диапазоне чисел Ке. Поэтому в закрученном пучке витых труб метод диффузии тепла от источника использовался только для определения коэффициента 17„а его применение оправдывалось совпадением экспериментальных распределеиий температур с гауссовским распределением, хотя основные допущения теории Тэйлора в данном случае не выполняются строго. В экспериментах источник диффузии имел радиус, примерно в три раза превышающий радиус витой трубы, В этом случае свойства потока индикаторного газа (нагретого воздуха) и основного потока одинаковы, Это позволяет получить достаточно надежные опытные данные по коэффициенту В,. В то же время если в работе [39) для прямого пучка витых труб, где радиус источника был равен радиусу витой трубы, удалось оценить значение интенсивности турбулентности по уравнению (2.9), то в данном случае это исключается из-за больших размеров источника.

Для увеличе. ния точности определения коэффициента В, опыты по переме. шиванию теплоносителя в закрученном пучке проводились при неподвижном источнике диффузии, а для определения по лей температуры на различном расстояниии от него в витыэ трубах были установлены термопары. При этом измерялас~ температура стенок труб (т.е. температура твердой фазы т терминах гомогенизированной модели течения) . Эта методик; измерений могла приводить к погрешностям в определениь коэффициента О „поскольку распределения температур в ядр~ потока теплоносителя и стенки труб различны, а следователь но, различны и среднестатистические квадраты перемещени( у', а также и В„причем это различие, видимо, носит система тический характер.

Подход к учету поправки в определяемьп коэффициент Р, при измерении температуры стенки изложе~ в разд. 4.2. При использовании метода диффузии от точечного источ ника для определения коэффициента В, в закрученном пучке витых труб надо было учитывать также особенность, связанную с криволинейностью оси нагретой струи, вдуваемой в пучок, где температура в каждом сечении пучка имела максимальное значение. При этом угол закрутки оси струи был равен углу закрутки витых труб на соответствующем радиусе пучка. Поэтому экспериментально определяемый коэффициент В, в этом случае не учитывает влияние закрутки потока закрученным пучком в азимутальном направлении и его можно сравнивать с коэффициентом В, для прямого пучка витых труб, что позволяет выявить эффекты, присущие течению в закрученном пучке, на тепломассоперенос в нем. В то же время эффект закрутки потока закрученным пучком на азимутальный перенос может быть учтен введением в уравнения движения и энергии, используемые для расчета полей температур и скоростей в пучке, членов, ответственных за конвективиый организованный перенос в азимутальном направлении, обусловленный закруткой пучка витых труб относительно его оси по заданному закону.

При исследовании нестационарного перемешивания теплоносителя в пучке витых труб использовался метод диффузии от системы линейных источников тепла, впервые примененный для исследования стационарного перемешивания в таких пучках [9] . Этот метод заключается в исследовании процесса диффузии тепла от группы нагретых труб вниз по потоку. Для экспериментальных установок и участков различного масштаба обычно нагревались группы из 7 и 37 витых труб [39~. При исследовании нестационарного тепломассопереноса на пучках с 127 трубами нагревалась центральная зона из 37 витых труб.

Нагрев труб осуществлялся благодаря их омическому сопротивлению при пропускании электрического тока. Создаваемая при этом неравномерность тепловыделения по радиусу пучка формирует неравномерность полей температуры теплоносителя, в качестве которого использовался воздух. Неравномерность температур частично выравнивается благодаря межканальному поперечному перемешиванию теплоносителя, Этот процесс характеризуется эффективным коэффициентом диффузии й„который определяется путем сопоставления экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных полей температур в рамках принятой модели течения гомогеннзированной среды, которая заменяет течение теплоносителя в реальном пучке витых труб.

Для реализации метода диффузии тепла в пучке была прь дусмотрена электрическая изоляция центральной зоны нагре- тых труб от ненагреваемых труб пучка, а измерения поле) скорости и температуры теплоносителя производились в ядр< потока (вне пристенного слоя) . Использование метода диффузии от системы линейных ис точников тепла для определения коэффициента Р, при песта ционарном протекании процесса имеет свои особенности. Этс связано, прежде всего, с необходимостью рассматривать в об щем случае задачу в сопряженной постановке, так как про цессы теплопереноса в теплоиосителе и в стенках труб взаимо связаны, а условия на границе с теплоносителем неизвестны При использовании модели течения гомогенизированной сре ды удается избежать необходимости определения полей тем иератур в стенках труб и заранее задать граничные условия используя понятие коэффициента теплоотдачи, зависящего о граничных условий.

При этом тепловая инерция витых тру< учитывается введением в систему уравнений, описывающи: иестационарный теш<омассоперенос в пучке, уравнения тепло проводности для твердой фазы, а изменение температуры тру( во времени и пространстве идентично изменению температурь твердой фазы гомогенизированной среды. Система уравнеии< (1.36) ...

(1.40), приведенная в гл. 1, позволяет рассчитат< поля температур теплоносителя и стенки труб (твердой фазы) зависящие от продольной и радиальной координат в различны< моменты времени, т.е. решить двумерную нестационарнун задачу. В гл. 5 будет рассмотрена система уравнений и мето~ ее расчета, которые позволяют решить задачу и при асиммет ричной неравномерности теплоподвода. Однако, как показал< проведенные исследования стационарных трехмерной и осе симметричной задач, коэффициент Р„определенный для эти: случаев течения, остается неизменным при прочих равных ус ловиях.

Поэтому при экспериментальном исследовании песта циоиарного тепломассопереноса в пучках витых труб целесооб разно ограничиться рассмотрением только осесимметричной за дачи. Такая задача решена впервые, поскольку все предыду щие исследования ограничивались использованием одномер ного способа описания процессов нестационарного теплообме на в каналах, когда рассматривается течение с постоянной и< сечению канала скоростью и температурой, которые изме няются только по длине канала.

При этом температура стенк< определяется из уравнения Ньютона для теплового потока и< экспериментальным значениям коэффициента теплоотдач< [24, 26). Особенностью использования метода диффузии от линей ных источников тепла при исследовании нестационарного перс мешивания теплоносителя является также необходимость производить измерения мощности тепловой нагрузки и полей температур теплоносителя, изменяющихся во времени с большой скоростью. Поэтому возникла необходимость в создании быстродействующей автоматизированной сисстемы управления запуском и регистрации результатов измерений параметров их сбора и обработки.

Только в этом случае стало возможным определение из экспериментов достаточно надежных значений коэффициента Р,. Нестационарные значения коэффициента Р, определяются также путем сопоставления для каждого момента времени измеренного поля температур теплоносителя с теоретически рассчитанными полями температур при различных наперед заданных значениях коэффициента Р~ при условии, что в разброс рассчитанных полей температур на графиках зависимости Т = Т (г, К) укладываются экспериментально измеренные значения температур теплоносителя. При этом каждой экспериментальной точке на графике Т = Т (и К) можно приписать вполне определенное значение коэффициента К = Р,/ (ид ) в соответствии с нанесенной на этот график сеткой теоретических кривых Т = Т (д К ) . Тогда для каждой расчетной кривой при данном значении К можно найти квадратный корень из суммы квадратов отклонений кюкдой экспериментальной точки от и этой кривой Х (6 Т;) ' и построить график зависимости 1= 1 /Е (бГ) =ДК> (2.10) ~=1 где и — число экспериментальных точек.

Минимум функции (2,10) соответствует максимально достоверному значению безразмерного коэффициента К, при котором достигается наилучшее соответствие экспериментальных и теоретически рассчитанных полей температур. При определении этим методом нестационарных значений коэффициента Р, точность измерений температур может быть различной.

Так при резком увеличении тепловой нагрузки для первых мгновений расслоение теоретических кривых Т = = Т(г, К) при различных К может быть небольшим и сравнимым с погрешностью измерения температуры. Поэтому для определения коэффициента К„с допустимой точностью 25 ... ... 50% необходимо принимать в расчет опытные данные только для тех моментов времени, где расслоение теоретических полей температур существенно больше погрешности измерения температуры теплоносителя. 58 При исследовании нестапионарного перемешивания изме рения поля температур по радиусу пучка необходимо произ.

водить с помощью гребенок термопар. При этом термопары фиксируют изменение температуры во времени в каждой кон. кретной характерной точке потока, обтекающего пучок, Этг точки выбираются в ядре потока, причем большинство точек размещается в нагреваемой зоне пучка, где наблюдается наи. большее расслоение теоретически рассчитанных полей темпе ратур. Необходимо также обеспечить измерение параметрое потока при нестационарном режиме с помощью малоинерцион. ных датчиков. Так, термопары должны быть изготовлень из проволоки небольшого диаметра, чтобы инерционность поз воляла с достаточной точностью фиксировать действительнук температуру теплоносителя в каждый момент времени, Для реализации описанных методов экспериментальногс исследования перемешивания теплоносителя были разработа ны и созданы специальные экспериментальные установки г участки с автоматизированной системой управления, сбора ь обработки опытных данных, имеющей выход на ЭВМ.

2.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Экспериментальное исследование нестацнонарного перемешнваннт теплоносителя проводилось на той же установке, что н в случае сгацно парного протекания процесса методом нагрева центральной группы пуч ка нз 37 витых труб, которые электрически изолировались от ненагре ваемых труб стекловолокнвстой тканью, надеваемой на трубы в виде чез ла, с покрытием жаростойким силикатно-органическим лаком.