Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Ашмантас Л.-В.А. - Нестационарный тепломассообмен в пучках витых труб (1062122), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Поэтому зависимости типа (5,42) будут в дальнейшем использоваться при обобщении опытных данных в этом разделе. Выполненные исследования позволили определить коэффициент К», необходимый для замыкания системы уравнений (5,17) ... (5.21), и установить ряд новых закономерностей. Так, обнаруженная при резком увеличении мощности тепловыделения и постоянном расходе теплоносителя дополнительная интенсификация процесса выравнивания неравномерности поля температуры теплоносителя, сформированной неравномерным полем тепловыделения, благоприятно сказывается на работоспособности пучков витых труб.
Наблюдаемое снижение интенсивности процессов переноса при резком уменьшении мощности тепловыделения необходимо учитывать при рассмотрении переходных режимов и останове теплообменного аппарата, поскольку в этом случае возможны локальные перегревы стенки труб, Е.Э. ВЛИЯНИЕ НА НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОМАССОП ЕРЕНОС ЧИСЛА Ке И ТЕМПА ВЫХОДА НА РЕЖИМ В разделе 5.2 было показано, что в течение первых 10 с после резкого изменения тепловой нагрузки нестационарный коэффициент Ка может существенно отличаться от своего квазистационарного значения, определяемого формулами (4.15), (4,16) .
При этом зависимость (5.43) была получена в диапазоне чисел Ве =- 8,9 10' ... 1,75 104, когда влияния числа Рейнольдса ни на коэффициент К„е, ни на коэффициент Ка 155 практически не наблюдается, а изменение темпа нагрева во всех опытах было приблизительно одинаковым и достаточно большим.
В то же время в процессе работы теплообменных уст. ройств с пучками витых труб наряду с резким выходом на стационарный режим могут реализовываться и случаи с плав. ным изменением тепловой нагрузки во времени. Кроме того, необходимо было' исследовать процесс нестационарного тепло. массопереноса в диапазоне чисел Ве = (3,5 ... 8,8)10', где имеет место влияние числа Ве на коэффициент Кке, определив. мый формулой (4.16) . Экспериментальное исследование нестационарного тепло. массообмена, результаты которого представлены в данном разделе, проводилось на той же установке и тем же методом при темпах выхода мощности на стационарный режим, опре. деляемых значением производной (дЛ//д т ) м = 0,615...
1,1 кВт/с при временных задержках т6'= 3 ... 6 с. (В разд. 5.2 величина то = 1 ... 1,5 с, а (ЭФ/ат ) м = 3,64 ... 7,2. кВт/с) . Для реализации необходимых уровней электрической мощности, подво- димой к нагреваемой части пучка и заданной постоянной времени изменения мощности генератора использовался регулятор, который изменял выходную мощность по экспоненциальному закону при увеличении тепловой нагрузки: Л~ = Л',-+ (Л'г -Ж, Н1 — ехр(-т/тл) ), (5,56) где Л', — мощность до начала переходного процесса; Л',— мощность в конце переходного процесса; т„— постоянная времени процесса.
Величина Л', = О, а Л', определялась из условия сохранения работоспособности пучка труб. Величина тп выбиралась в диапазоне 1,5 ... 15 с (постоянная времени ге. нератора равна 1,5 с) . Регулятор мощности позволял не только запрограммировать закон изменения выходной мощности по заданным Л'ь Л', и тл и осуществлять выход мощности генератора по выбранному закону, но и стабилизировать выходную мощность генератора при изменении сопротивления нагрузки. Таким образом, с помощью регулятора мощности оказалось возможным смоделировать различные темпы выхода на стационарный режим, что наблюдается и в натурных теплообменных аппаратах, и оценить их влияние на протекание переходных процессов.
При атом управление генератором осуществлялось компьютером по заданной программе. Поля температур теплоносителя измерялись в выходном сечении пучка с помощью гребенки из 10 хромель-алюмелевых термопар с диаметром проволоки 0,1 мм, установленных на координатном механизме в центрах ячеек пучка в точках с Г56 1соординатами т/тк — — 6,073, 0,128, 0,193, 0,265, 0 334, 0,408, 0(479, 0,624, 0,770, 0,916. Поскольку при измерении изменяющейся во времени температуры возникают дополнительные погрешности, обусловленные нестационарностью процесса, 5ыла проведена оценка инерционности термопар и установлена постоянная времени их термической инерции в зависимости от диаметра термоэлектродов. Термопара при нестационарном протекании процесса не успевает мгновенно принять температуру окружающей среды и сигнал от нее регистрируется с некоторым запаздыванием. Так, для использованных в опыте термопар с диаметром 0,2 мм постоянная времени в среднем составляет 0,0026 ...
0,008 с в зависимости от скорости потока воздухаз а инерционность термопары оценивается при реализованных в опытах скачках температур временем 0,04 ... 0,2 с. При этом динамическая погрешность не превышала абсолютную приборную погрешность измерения. Экспериментальная установка с разработанной системой измерения позволяла определять коэффициент Кн с предельной погрешностью а 25% при погрешностяМ измерения температуры 1%, напряжения — 0,3%, силы тока — 0,5%, расхода теплоносителя — 1,:5%.
С такой же погрешностью были определены значения коэффициента/(н в равд. 5.2. Изменения экспериментально измеренных мощностей тепловыделения в витых трубах со временем представлены на рис. 5.9, а на рис. 5.10 — изменения во времени среднемассовой температуры теплоносителя на выходе из пучка и еепроизводной. Как видно из рис. 5.9, максимальные темпы выхода тепловой нагрузки на стационарный режим для различных чисел Ке сильно отличаются, а время, при котором наблюдается резкое увеличение темпа нагрева витых труб, сдвинуто от начала запуска на 1 ... 6 с. Это время те равно величине, отсекаемой на оси т прямой, которая определяется максимальной производной (дФ/дт) и является касательной к кривой Лг = Ф (т) .
Максимальная скорость изменения среднемассовой температу- Рис. 5.9. Изменение мощности во времени: 1 ... 3 — при числах Кем = — 3,5'10, 6,4'10, 8,8 10' и ( аЛ'/а т) = 0,615, 0,727, 1,1 кВт/с соответственно; 4 ... 6 — при Кеа = 8,9*10 и (ааг/ат) м =,3,64 кВт/с; Кеа = 1,36.10, 1,75'10 и (агУ/ат) м = 7,2 кВт/с соответ- ственно Я, бз 1б !г б т,~б га аб бб, бб бб га тл 157 ТВ,В дт с 4ВР 44Р 47Р 7ВР Р 4РР Р 7Р ед ВР т с Рнс.
5.10. Изменение среднемассовой температуры теплоносителя и ее производной во времени: 1 ... 3 — изменен4~е ТЬ при числах Кеь = 3,5 10 , 6,4'10 , 8,8'10 соответственно; 4 ... б — невменение ага!Вт пРи числах Кеь — — 3,5 ' 10 , 6,4' 10 , 8,8 10 соответственно 34Р Рис. 5.11. Распределение температуры тепло- носителЯ в выхоДном сечении патака витых 37Р труб при Кеб = 3,5 '10 1 ... 18 — расчет; 1 ...
3 — при т = 16,8 с и К = 0,1, 0,2, 0,3; 4 ... 6 — при т = 20,8 с ВРР иК= 0,1,0,2,0,3; 7...9 — прит=24,8с Р Р,Р Р4 г~г„ и К = 0,1, 0,2, 0,3; 10 ... 12 — при т = 32,8 с и К = 0,06, 0,1, 0,2; 13 ... 15 — при т= 44,8 си К = 0,045, 0,06, 0,08; 16 ... 18 — при т = 72,8 с и К = 0,045, 0,06, 0,08; °, а, а, с, с,ч — опытные данные при т = 16,8, 20,8, 24,8, 32,8, 44,8, 72,8 с соответственно ры на выходе из пучка также определяется величиной (дМ(дт ) м и сдвинута в сторону больших т из-за влияния тепловой инерции.
Нестационарный коэффициент Кн определялся также путем сопоставления экспериментальных распределений температур для различных моментов времени с теоретически рассчитанными полями температур, как и в разд. 5.2. При этом для описания процессов нестационарного течения и теплообмена в пучке витых труб использовалась модель течения гомогенизированной среды и система уравнений, включающая уравнения энергии, движения, неразрывности и состояния, а также уравнение теплопроводности, описывающее распределение температур в витых трубах (в "скелете" пучка), рассмотренная в разд. 5.1. 158 На рис. 5.11 теоретически рассчитанные поля температур теплоносителя для числа Ке = 3,5 .
10' прн различных значениях коэффициента К для моментов времени т = 15,3, 20,8, 24,3, 32,3, 44,3, 72,3 с сравниваются с экспериментально измеренными распределениями температур в диапазоне изменения радиальной координаты ~(г„< 0,5. Именно в этой области течения наблюдаются максимальные изменения температуры теплоносителя во времени, обусловленные резким увеличением тепловой мощности, подводимой к трубам нагреваемой части пучка. Наблюдаемый на рис.
5,11 характер изменения температуры теплоносителя во времени является типичным для всех режимов работы теплообменника, рассмотренных в данном разаделе. Численные значения коэффициента Ка для каждого момента времени определялись с использованием модифицированного метода наименьших квадратов. Определенные таким образом значения Кв приведены в табл. 5,2. Таблица 5,2 т,а 8,8 12,8 16,8 20,8 24,8 32,8 44,8 72,8 35,103 64 10 8'8, 10з — 0,35 0,205 0,188 0,066 0,065 0,0575 0,3 0,2 0,125 0,085 0,0575 0,046 0,045 0,3 0,2 0,115 0,075 0,06 0,052 0,04б 0,045 159 Если значения коэффициента К», приведенные в табл.
5.2, отнести к его квазистационарному значению, равному Кааа = = 0,0535, 0,0542 0,0521, для чисел Ке = 3,5 10', 5,4 10', 3,3 . 1ОЭ соответственно, то полученные опытные данные по х = Ке/Кка в функции т могут быть описаны зависимостями, представленными на рис.
5.12. На этом графике представлены также опытные данные для числа Ке = 3,9 10' из разд. 5,2. Расслоение опытных данных практически для одного и того же числа Ке (кривые 3 и 4), которое наблюдается на рис. 5.12, можно объяснить влиянием скорости изменения тепловой нагрузки (дЛ~!дт ) м и различием в величине те. Эти же причины могут быть решающими и при оценке данных для других чисел Ее. Действительно, при сопоставлении графиков на рис. 5.9 и 5.12 видно, что сдвиг во времени начала резкого увеличения мощности при выходе на стационарный режим (рис.
5.9) порождает соответствующий сдвиг во времени кривой к = Ка /Ка,а = к (т ) (рис. 5.12) . «„ ив К« эг= К«с Б,Б / 5,7 «м «е м с« Рис, 5.12, Изменение относитеяь- «,т ного безразмерного нестационарного коэффициента перемеши- вания во времени: 1,Б 1 ... 4 — опытные ланнэые при анспах Кеь = 3 5'10, 6,4 10 8,8 10, 8,9 10 соответственно З,Р Ге,„7Р« Рис. 5.13. Зависимость относительного безразмерного коэффициента по ремешивания от критерия Фурье: 1 — зависимость (5.43); 2 — зависимость (5.60); +, «, х, с, °, « — опытные данные дяя чисел Кеь = 3 5'10, 6 4'10, 8 8'10,8 9'10«, 1 36'10, 1,75 10 соответственно 4 Поэтому при представлении опытных данных в безразмерном виде можно в критерий Фурье вместо реального времени, отсчитываемого с начала запуска, ввести некоторое условное время, учитывающее обнаруженные эффекты.
Это условное время можно определить как эффективное время т фф. Оно должно учитывать время те, предшествующее началу резкого увеличения мощности тепловой нагрузки, а также максимальную скорость выхода этой мощности на стационарный режим (ЭФ/дт) м. Выражение для определения величины т фф может быть получено на основании опытных данных. Тогда в диапазоне изменения параметров те = 1,5 ... 6 с, (дЛ«/дт ) м = (0,615 ... ... 3,64) кВт/с, Ве = 3,5 ° 10' ...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
