УДК 66.021.3.536.24

Карденов С.А., к.т.н. Жайлаубаев Ж.Д.

ДГП «Исследовательский центр мясной и молочной промышленности» РГП «НПЦ перерабатывающей и пищевой промышленности».

Республики Казахстан

ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

В настоящее время проблема интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах различного назначения является весьма актуальной. Уменьшение веса и габаритов теплообменников можно достичь за счет закрутки потока в емкости, образованных спирально обтекаемыми поверхностями. Использование вихревого профиля, предложенных в работах (1,2), позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи и при движении внутри аппарата (3). Изучение закономерностей турбулентных закрученных потоков в таких цилиндрических поверхностях представляет также определенный теоретический интерес.

Рассмотрим результаты экспериментально-теоретического исследования теплообмена и гидродинамики, поперечного перемешивания потока и его турбулентной структуры по длине обтекаемых поверхностях цилиндрического теплообменного аппарата.

Тогда, следуя (1), в качестве параметров, характеризующих течение в геометрически спиралевидных пучках, на основании П. - теоремы теории подобия и размерности можно предложить следующие определяющие критерии подобия:

Rеd= F (1)

C помощью этих критериев хорошо обобщаются экспериментальные данные по поля скорости и температуры, перемешиванию теплоносителя, теплообмену и гидравлическому сопротивлению, полученные на экспериментальных установках, аналогичных описанной в работе (3).

При исследовании структуры потока измерялись поля полного вектора скорости напора и составляющие вектора скорости с помощью термоанемометра. Эти исследования показали, что все поле течения потока в аппарате можно условно разбить на ядро потока с примерно постоянной скоростью и тонкий пристанный слой и что тангенциальная и радиальная составляющие скорости малы по сравнению с продольной составляющей скорости. Поэтому профили скорости, относящиеся к полому вектору скорости, практически мало отличаются от профилей скорости для продольной составляющей полного вектора скорости. Полученные опытные данные по полям скорости хорошо обобщаются в пределах пристанного слоя степенными законами

(2)

Опытные данные по полям температур в пристанном слое также хорошо описываются законом (1)

(3)

что свидетельствует о подобии профилей скорости и температуры в потоке аппарата.

При экспериментальном определении эффективных коэффициентов переноса, учитывающих действие всех перечисленных выше механизмов переноса, использовались два методы: метод диффузии тепла, что является модификацией метода диффузии тепла от нагреваемой поверхности в аппарате .

Обработка результатов экспериментов по перемешиванию потока проводилось с учетом метода гомогенизации реального потока воздуха (3) . Этот метод может быть также использован при расчете полей скорости и температуры теплоносителя в случае неравномерного подвода тепла по радиусу теплообменного аппарата. Согласно этому методу течение гомогенизированной среды описывается уравнениями сплошной среды, а эффект гомогенизации учитывается множителем , причем пористость m определяется с учетом толщины вытеснения пограничного слоя, при этом должен сохраниться баланс тепла.

(4)

Условно нарастив на стенки аппарата слой материала, по толщине равный толщине вытеснения пограничного слоя б, можно рассматривать свободное течение со скольжением гомогенизированной среды с распределенными источниками объемного энерговыделения и гидравлического сопротивления. Эта модель течения при турбулентном течении теплоносителя может быть описана системой дифференциальных уравнений.

(5)

puc (6)

G=2 (7)

P=pRT

Определенные таким способом коэффициенты К, отнесенные к их асимптотическому значению, представлены в функции преобразованной продольной координаты 2 ах/ d , где они сравниваются с зависимостью, полученной в работе (3) для оребренных стержней.

(8)

В формуле (8) коэффициент d определяется выражением

d=0?075+ (9)

Хорошее согласие опытных данных с зависимостью (8) свидетельствует о близком по характеру течении потока в аппарате. Однако численные значения коэффициент к для этих типов движения потока отличаются из-за различия зависимостей асимптотического коэффициента от критерия F. Зависимость f(F) для цилиндрических труб была определена методом диффузии тепла от источника (5), который основан на статистическом описании турбулентного поля при изучении движения индивидуальных частиц, непрерывно испускаемых источником. Поскольку поля

температур на различном расстоянии от источника диффузии в масштабе диаметра теплообменного аппарата в первом приближении подчинялись закону распределения Гаусса, оказалось возможным для определения эффективной интенсивности турбулентности и коэффициента Dt использовались предельные решения уравнения Тейлора для однородной и изотропной турбулентности (5);

(10)

(11)

соответственно для малых и больших времен диффузии. Предельное решение (11) является уравнением асимптоты к экспериментальной кривой у. Коэффициенты D, определенные для цилиндрической поверхности с различными числами Fм, в зависимости от числа Fм, и могут быть обобщены зависимостью

Касс= (12)

Экспериментальные данные по интенсивности турбулентности хорошо обобщаются зависимостью

F) (13)

Таким образом, выполненные исследования показали, что интенсивность турбулентности цилиндрической поверхности, оснащенное спиральнообразованными ребрами в аппарате при Rе примерно в 2-3 раза выше , чем в круглой трубе без спиральнообразованных ребер по длине в аппарате. Поэтому дополнительная турбулизация потока может рассматриваться как один из основных факторов интенсификации процессов переноса. Коэффициент определяемый зависимостью (12), более чем на порядок превышает безразмерный коэффициент перемешивания в круглой трубе.

Результаты экспериментального исследования теплоотдачи и коэффициента гидравлического сопротивления в спирали на участке стабилизированного течения хорошо обобщается с зависимостями по интенсивности теплообмена в аппарате.

Обозначения:

К-безразмерный коэффициент перемешивания, и-скорость, gv-условная плотность тепловыделения в объеме,S-шаг закрутки , Т-температура ,Х- продольная координата. У-координата, отсчитанная от стенки по нормали к ней, у- среднестатистический квадрат перемещения, р- плотность. и- коэффициент динамической вязкости, б - толщина пристенного слоя, Л- коэффициент теплопроводности,

- коэффициент гидравлического сопротивления, Е-эффективность интенсивности турбулентности.

Литература

1.Вилемас Ю.В., Чесна Б.А., Сурвила В.Ю. Теплоотдача в газоохлождаемых кольцевых каналах. Вильнюс, «Моклас», 1977

2.Дзюбенко Б.В. К вопросу о межканальном перемешивании теплоносителя ИФЖ, 1979, т.37 , № 5 с. 777-783

3.Хинце И.О. Турбулентность М., ГИФМЛ,1963.

4. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. Пищевая промышленность.1973. – 526 с.

5. Лыков А.В. Теория сушки. М.Энергия. 1968. – 470с.