Диссертация (Повышение эффективности пластинчатых теплоутилизаторов посредством интенсификации теплообмена на поверхности с овальными лунками), страница 4

В работе [27],былипроведеныэкспериментыприпоперечномобтеканиитруб.Экспериментальные данные показали увеличение коэффициентов теплоотдачина 15-20% .Что касается расчетных работ, то отметим серию публикаций, основнымавтором которых является Исаев С.А. [28-30]. В последних публикациях им наоснове модели турбулентности Ментера проведены расчеты локальныххарактеристик в канале с нагреваемой нижней стенкой, на поверхности которойбыли нанесены сферические углубления.

Необходимо отметить, что расчетыпроводились при постоянной температуре стенки.В 2006г. в работе [65] были проведены численные исследованиятеплообмена внутри траншейной лунки расположенной под углом к основномупотоку,атакжеприведенысравнениятепловойигидравлическойэффективности сферических и траншейных лунок. Результаты данныхисследованийпоказалипревосходствопотепловойигидравлическойэффективности траншейной лунки над сферической (для сферической лунки:Nuл/Nuгл=1,05;л/гл=1,024;длятраншейнойлунки:Nuл/Nuгл=1,127;л/гл=1,051). Данные результаты были получены для значений Re по каналу21104.

Также были проведены численные исследования теплообмена наповерхностей с нанесенными траншейными лунками или полусферическимилунками. В результате были получены визуальные картины поведения потокавнутри лунки и предварительные данные об тепловой и гидравлическойэффективностиповерхностистраншейнымилунками.Длярядного-параллельного расположения траншейных лунок расположенных под углом 45град. к потоку Nuл/Nuгл=2,15; л/гл=2,13. Результаты данных исследованийпоказывают необходимость проведения дальнейших исследований траншейныхлунок, как более эффективных, чем сферические.Вработе[67]представленобщийобзорисравнениенаиболеераспространенных на данный момент поверхностных интенсификаторов.Показана наибольшая перспективность применения интенсификаторов в видешаровых сегментов (сферических выемок).Одни из последних исследований в данной области были представлены в2013 г.

в работе [66] МГТУ им. Баумана. В данной работе была полученазависимость отношений коэффициентов гидравлических сопротивлений взависимости от числа Re. Также сделаны общие выводы по распределениютемпературвнутритраншейнойлункиисходяизтепловизионныхисследований:«Из анализа распределения температуры на поверхности с углублениямиобнаружено, что наибольшее снижение температуры поверхности происходитнепосредственно за углублением на длине приблизительно равной половинедиаметрауглубления.Вцентреуглублениятемператураповерхностипрактически совпадает с температурой гладкой поверхности» (с)Исследования в данной области, также производились в работах [70-81].

Вработе [77] был детально изучен процесс вихреобразования в сферическойлунке, в работах [78]-[81] проводились исследования теплофизических свойствполусферических лунок. Методы исследования, примененные в данныхработах, показали хорошее совпадение с результатами исследований другихавторов в отношении полусферических лунок.22Таким образом, на данный момент существует много экспериментальныхи расчетных данных по теплообмену в каналах с лунками различной формы,однако нет физической модели объясняющей механизм интенсификациитеплообмена для различных видов углублений. Большая часть исследованийвыполнена для полусферических лунок (ПСЛ), при этом для траншейных илиовальных лунок (ОЛ), расположенных под углом к потоку, произведено толькочисленноемоделированиеирядвизуальныхэкспериментов.Неттеплообменных аппаратов, реализующих превосходство поверхностей с ОЛнад поверхностями с ПСЛ по теплоотдаче.Поэтому целью настоящей работы является повышение эффективностипластинчатых теплоутилизаторов посредством использования овальных лунокнатеплопередающейповерхностииметодарасчетапластинчатыхтеплообменников для промышленной теплоэнергетики с данным типоминтенсификатора.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:1. Провести экспериментальные исследования по формированию полейтемператури скоростейрасположеннойнав прямоугольном канале с одиночной ОЛ,обогреваемойнижнейповерхностиподугломкнабегающему потоку.2. По результатам экспериментов разработать физическую модель длярасчета величины локального выброса нагреваемого теплоносителя из ОЛ вядро потока.3. Разработать математическую модель процесса, протекающего натеплообменной поверхности, содержащей источники, имитирующие выбросытепловой энергии из ОЛ в ядро потока, и способствующие увеличениюкоэффициента теплоотдачи.4.

Провестисопоставительныйанализтепловыхигидравлическиххарактеристик работы теплообменника «Hoval» и теплообменника с овальнымилунками в системе вентиляции, предназначенной для утилизации теплоты газовоздушных выбросов в атмосферу.23ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕТЕПЛООБМЕНА ВНУТРИ ОВАЛЬНОЙ ЛУНКИ2.1. Визуализация вихреобразования на установке с одной лункойПрежде чем проводить исследование теплообмена на поверхности совальнымилунками,необходимопроизвестиисследованиемеханизмавихреобразования внутри овальной лунки по аналогии с [67] и [77].

Данныеисследованияпозволятустановитьосновнуюпричинуэффектаинтенсификации теплообмена и создать модель процесса теплоотдачи отповерхности с овальными лунками.2.1.1. Экспериментальная установкаДлявсехпроводимыхэкспериментовприменяласьдозвуковаяаэродинамическая установка (рис. 2.1)Рисунок 2.1. - Экспериментальная установкаСменнаяпластинаустанавливаласьврабочийследующие габариты:Рисунок 2.2 - Рабочий участокучасток,имеющий24ДляизмеренийвидеокамераSonyприменялосьDCR-SR65;следующееоборудование:ЦифроваяАнемометр;Тепловизор:Иртис-200;Амперметр; Вольтметр;2.1.2. ОписаниеДля визуализации турбулентных вихрей в одиночной лунке применяласьдозвуковая аэродинамическая установка, описанная ранее (раздел 2.1).Визуализация производилась с помощью дыма пускаемого в начало каналатаким образом, чтобы как можно меньше влиять на основной поток.Основной целью являлось выявление визуальной картины течения потокавнутри лунки. Также на основании анализа съемки цифровой видеокамеройбыло установлено время полного обновления объема лунки.На основании этих данных стало возможно проведение анализа точногораспределения скоростей внутри лунки для последующих расчетов количествапередаваемоготепла.Атакжевыявлениетакназываемойвихревойсоставляющей теплового потока от облуненной поверхности и расчета влиянияобразуемых лункой вихрей на теплообмен в последующих лунках путемвнесения вихревой составляющей в модель PHOENICS.2.1.3.

ЭкспериментЭксперимент производился для узкого канала высотой 2см. при разныхскоростях набегающего потока, для 3-х типов лунок:(а)25(б)(в)Рисунок 2.3 Типы лунок на которых производились экспериментальныеисследования (а) – тип 1: глубокая лунка, (б) – тип 2: средняя лунка, (в) – тип 3:мелкая лунка;Далее приведена общая визуальная картина на примере одного из опытов:Рисунок 2.4 - Визуализация истечения воздуха из лунки26Рисунок 2.5 - Визуализация истечения воздуха из лунки (по кадрам слеванаправо, от подачи дыма до окончания истечения)На рис. 2.4 и 2.5 видно, что истечение происходит только с одного(дальнего по ходу воздуха) края лунки.

Также, исходя из визуального анализаистечениядыма,былапостроенаследующаякартинараспределениянаправлений потоков воздуха внутри лунки:(а)(б)(в)Рисунок 2.6. - Распределение направлений потоков в верхней (а) и нижней(б) частях лунки, а также поперечный срез показывающий вертикальныенаправления потоков воздуха в лунке (в)Картина, представленная на рис. 2.6. основана полностью на визуальныхнаблюдениях и является достаточно точным отражением реального поведенияпотока воздуха в лунке.27Для точного определения направлений течения воздуха в лунке былииспользованы шелковые нити, которые крепились к поверхности лунки.

Наосновании всех собранных визуальных данных, также была получена картинараспределения направлений потоков в нижней части лунки (Рис 2.6 (б)).Данные визуальные картины были впоследствии подтверждены расчетамив системе PHOENICS (см. п. 2.4.1).Помимо составления визуальных картин движения потоков, такжеопределялось время истечения дыма из лунки при разных скоростяхнабегающего потока. Фактически, таким образом мы определяем расходвоздуха истекающего из лунки при вихреобразовании для различных скоростейпотока. Метод определения времени истечения был следующий:- Производилась съемка процесса вихреобразования при задымлениицифровой видеокамерой;- Делалась раскадровка видеосъемки от момента остановки подачи дыма влунку, до момента полного очищения лунки от дыма;- По количеству кадров (учитывая что скорость съемки составляет 24 кадрав секунду) определялось время очищения лунки от дыма и соответственнорасход воздуха истекающий из лунки;Соответственно, прежде всего, считались объемы лунок:Объем мелкой лунки: 0,00000203м3;Объем средней лунки: 0,00000393м3;Объем глубокой лунки: 0,00000523м3;Далее согласно этой методике:Для ряда скоростей воздуха при обтекании глубокой лунки не удалосьобнаружить истечение дыма после окончания его подачи в канал.