авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование теплообмена при взаимодействии двухфазных тонкодисперсных потоков с высокотемпературными поверхностями

На правах рукописи

Арзамасцев Алексей Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

ДВУХФАЗНЫХ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ПОТОКОВ С

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

Специальность 01.04.14. – Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Тюмень – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель Губарев Василий Яковлевич, кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты Пахаруков Юрий Вавилович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

(г.Тюмень) Пиралишвили Шота Александрович, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», заведующий кафедрой общей и технической физики (г.Рыбинск)

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (г.Воронеж)

Защита состоится 13 ноября 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.274.10 при ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет» по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская 15а, ауд. 410.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет».

Автореферат разослан 11 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.274. д.ф.-м.н. Удовиченко С.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время проблема охлаждения высо котемпературных поверхностей относится к одному из приоритетных направ лений в энергетике и металлургии. Выбор в качестве охладителя двухфазного потока, имеющего разность температур на границе раздела фаз и возможность фазового перехода, позволяет существенно увеличить интенсивность процессов теплообмена. Но внедрение охлаждения высокотемпературных поверхностей двухфазными, в частности водовоздушными, потоками сдерживается отсутст вием физико-математической модели, описывающей теплообмен при взаимо действии потока с поверхностью. Существующие в данной области исследова ния не содержат обобщающего анализа зависимости коэффициента теплоотда чи от параметров двухфазного потока. Указанная проблема определила акту альность данной работы, направленной на анализ процессов теплообмена при взаимодействии газокапельных потоков с высокотемпературными поверхно стями и получение критериальных зависимостей для нахождения коэффициен тов теплоотдачи.

Цель работы. Исследование особенностей теплообмена при взаимодей ствии двухфазных тонкодисперсных потоков с высокотемпературными поверх ностями, получение критериальных зависимостей для нахождения коэффици ентов теплоотдачи, анализ влияния параметров потока на значение коэффици ента теплоотдачи.

В диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Получить на основе теоретического анализа критериальные зависимо сти для определения коэффициентов теплоотдачи при ламинарном и турбу лентном режимах течения двухфазных тонкодисперсных потоков для различ ных типов высокотемпературных поверхностей.

2. Выявить и проанализировать зависимости коэффициента теплоотдачи от значений параметров потока.

3. Провести сравнительный анализ полученных теоретическим путем результатов с имеющимися экспериментальными данными других авторов для различных типов высокотемпературных поверхностей.

Методологические основы исследований. Теоретической базой диссер тационной работы являлись законы тепломассообмена и гидродинамики. Сте пень адекватности проверялась сравнением с экспериментальными данными других авторов.

Научная новизна работы.

1. Для ламинарного продольного обтекания высокотемпературной по верхности двухфазным газокапельным потоком предложено распределение температур в тепловом погранслое, на основании которого получено критери альное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи, позволившее провести оценку влияния параметров двухфазного потока на величину коэффи циента теплоотдачи.

2. Для ламинарного течения в высокотемпературном цилиндрическом ка нале двухфазного газокапельного потока при постоянном значении плотности теплового потока предложено распределение температур по радиусу канала, на основании которого получено критериальное уравнение для расчета коэффи циента теплоотдачи, позволившее оценить влияние параметров двухфазного потока на величину коэффициента теплоотдачи.

3. Для турбулентного режима при продольном обтекании высокотемпера турной поверхности и для течения в высокотемпературных цилиндрических каналах двухфазных газокапельных потоков получены критериальные зависи мости для определения коэффициентов теплоотдачи. Проведена оценка влия ния параметров потока на величину коэффициента теплоотдачи. Введен коэф фициент интенсификации теплообмена, равный отношению коэффициента теп лоотдачи для двухфазного потока к коэффициенту теплоотдачи для чисто газо вого потока. Показана зависимость коэффициента интенсификации теплообме на от геометрической формы поверхности и параметров потока.



.

4. Показано, что примененный в диссертации подход может быть исполь зован для расчета коэффициента теплоотдачи при взаимодействии двухфазных потоков с высоконагретыми поверхностями любой геометрической формы.

Практическая значимость работы. Полученные в работе критериаль ные уравнения дают возможность расчета и анализа теплообмена между высо конагретой поверхностью и двухфазным потоком, позволяют вычислить необ ходимые значения параметров потока, обеспечивающие требуемый коэффици ент теплоотдачи, и могут быть использованы при разработке систем охлажде ния высокотемпературных поверхностей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Критериальные зависимости по определению коэффициентов теплоот дачи при продольном обтекании высокотемпературных поверхностей тонко дисперсными двухфазными потоками для ламинарного и турбулентного режи мов.

2. Критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи при ламинарном и турбулентном режимах течения тонкодисперсных двухфаз ных потоков в высоконагретых цилиндрических каналах.

3. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных для турбулентного течения в цилиндрическом канале.

4. Проверка методики расчета коэффициентов теплоотдачи путем прове дения сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных для внешнего обтекания высокотемпературной поверхности двухфазным потоком.

Достоверность полученных результатов и выводов основана на исполь зовании фундаментальных уравнений теоретической теплофизики, обусловлена корректной постановкой задачи, достаточной обоснованностью принятых до пущений и обеспечена высокой степенью согласования экспериментальных данных других авторов и результатов расчетов.

Личный вклад автора состоит в предложении общего вида распределе ний температур для ламинарного продольного обтекания и ламинарного тече ния в цилиндрическом канале двухфазных потоков;

получении на основании этих распределений критериальных зависимостей для нахождения коэффици ентов теплоотдачи;

в нахождении для турбулентного продольного обтекания и течения внутри канала зависимостей для расчета введенного коэффициента ин тенсификации теплообмена, позволяющего проанализировать эффективность применения двухфазных потоков по сравнению с чисто газовыми. В опублико ванных совместно с соавторами научных статьях вклад соавторов равноценен.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докла дывались на XVII Школе-семинаре молодых-ученых и специалистов под руко водством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблема газодинамики и тепломас собмена в аэрокосмических технологиях»;

XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблема газодинамики и тепломассобмена в новых энергетических техноло гиях»;





XIX Школе-семинаре молодых-ученых и специалистов под руково дством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблема газодинамики и тепломас собмена в энергетических установках».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 7 работ, в том числе 3 работы в изданиях, имеющих аккредитацию ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 111 наименований. Работа содержит страниц машинописного текста, 36 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро ваны цели исследования, раскрыта научная новизна результатов и практическая ценность работы.

В первой главе проводится обзор и анализ работ, посвященных тепло обмену для различных вариантов течения двухфазных потоков. Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных теплообмену в газожидкостной среде, отсутствуют аналитические зависимости, учитывающие влияние параметров потока на величину коэффициента теплоот дачи. Теоретическое исследование процессов теплообмена с последующим по лучением критериальных уравнений дает возможность расчета и анализа влия ния параметров потока на процесс передачи тепла.

В главе рассмотрены особенности теплообмена при безотрывном обте кании высокотемпературной поверхности тонкодисперсным газожидкостным потоком. Поток характеризуется влагосодержанием d (масса жидкости, отне сенная к массе содержащего ее газа), средним диаметром капель d к, давлением Р, скоростью потока w0. Температура поверхности превышает температуру Лейденфроста, то есть полностью исключен непосредственный контакт охлаж даемой поверхности с жидкокапельной компонентой потока.

Для тонкодисперсного газожидкостного потока аэродинамические си лы, действующие на капли со стороны газовой фазы, значительно больше сил инерции, и скорость скольжения фаз при любом внезапном изменении скорости одной из них очень быстро стремится к нулю. В работе Нигматулина [1.Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред / Р И. Нигматулин. – М.: Нау ка, 1987. – Т. 1. – 464 с.] показано, что если время межфазной релаксации (вы равнивания скоростей фаз) значительно меньше характерного времени процес са, то можно применять односкоростную схему течения.

Используя методику расчета, предложенную в работе Губарева [2. Губа рев В.Я. Условия применимости гомогенной модели течения двухфазных газо жидкостных потоков: Механика и процессы управления / В.Я. Губарев // Труды XXXIII Уральского семинара, 2003. – С. 80 – 87.], получено, что максимальный диаметр капель, при котором турбулентный газожидкостный поток с заданны ми параметрами можно считать тонкодисперсным, равен:

г (1 + d ) г. Минимальное значение d к.max достигается при темпе d к.max = wг к ратуре поверхности 350°С, атмосферном давлении, влагосодержании 0,1 кг/кг, скорости 50 м/с, и составляет 80 мкм. С увеличением значений температуры стенки, влагосодержания, давления и уменьшением скорости d к.max может быть заметно больше и составлять порядка нескольких сотен микрометров.

Для ламинарного режима течения в отсутствии пульсаций скорости можно считать поток тонкодисперсным при диаметре капель до 1 мм.

Согласно работе Терехова [3.Терехов В.И., Пахомов М.А. Тепломассо перенос и гидродинамика в газокапельных потоках / В.И.Терехов, М.А. Пахо мов. – Новосибирск. – 2009. – 284 с.], минимальное значение диаметра капель, при котором двухфазный поток можно считать тонкодисперсным, составляет мкм.

Для описания теплообмена при течении тонкодисперсного потока ис пользована гомогенная модель течения, суть которой состоит в замене реаль ной двухфазной среды гидродинамически гомогенной сплошной средой (сме сью), имеющей средние эквивалентные параметры, и обоснована возможность использования этой модели. Все расчеты проводились только для конвективно го теплообмена, без учета влияния излучения.

Капли рассматривались как внутренние отрицательные источники тепла.

Интенсивность единичного стока (Вт) для капли сферической формы с темпе ратурой поверхности t к определялась на основе решения для задачи теплопро водности через шаровую стенку при бесконечном внешнем радиусе:

Qк = 2 г d к (t к t г ), где г – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

t г – температура газа, С.

Распределение температур для неподвижной газожидкостной среды без учета влияния диффузии будет находиться из системы уравнений:

1 t г = 2 t г b 2 (t г t к ) a г t к 12 г (t г t к ) = t к t нас, d к = d к, ск к d к2, (1) 4 г d к dк = (t г t к ), t к = t нас, r к dк d г b (t г t к ), = t к = t нас, dк r г 0, 3,46 г d м-1 – параметр, характеризующий внутренние стоки где b = dк к тепла;

г, к – плотность газа и капли соответственно, кг/м3;

cк – теплоемкость капельной фазы, Дж/(кг·К);

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

t нас – температура насыщения, 0С;

– время, с.

Система уравнений (1) решалась методом конечных разностей с шагом по толщине h = 2 d к (так как это минимальный шаг, при котором можно рассмат ривать каплю как целый элемент) и по времени = 10 4 с (выбран с учетом обеспечения сходимости решения).

Показано, что практически мгновенно устанавливается стабильное рас пределение температур, практически не изменяющееся до 0,8·0 (0 – время прогрева и полного испарения капель в пристеночном слое толщиной 2 диамет ра капли). Затем на распределение температур будет оказывать влияние форми рующийся у поверхности паровой подслой.

Сделано предположение, что до начала формирования парового подслоя реализуется квазистационарный режим теплопроводности, при котором диа метр и температура капель приняты постоянными. Постоянство температуры капель основано на том, что у поверхности при высоких температурах газа из менением температурного напора = t г t к можно пренебречь и принять темпе ратуру капель постоянной.

Принятые допущения позволили свести систему уравнений (1) к реше нию дифференциального уравнения теплопроводности с внутренними отрица тельными источниками тепла:

2 b 2 = 0. (2) Расчет распределения температуры газовой фазы в пограничном тепло вом слое показывает хорошее совпадение результатов, полученных при чис ленном решении системы уравнений (1) и аналитическом решении уравнения (2) для квазистационарного периода.

В главе также была проведена интервальная оценка времени полного диффузионного испарения капель. Показано, что время полного диффузионно го испарения капель намного превышает время существования квазистацио нарного режима, что позволяет подтвердить правильность предположения о не значительном влиянии процессов диффузии на тепломассообмен до начала ин тенсивного испарения капель. Так, для влагосодержания 10 кг/кг и диаметра капель 100 мкм время существования квазистационарного режима составляет 0,12 с, время полного диффузионного испарения капель лежит в пределах от 4, до 23,4 с, а изменение диаметра капли за время существования квазистационар ного режима составляет не более 3% от начального значения.

Принятые допущения позволили свести задачу теплообмена к решению дифференциального уравнения теплопроводности с внутренними отрицатель ными источниками тепла. Используя значение коэффициента теплоотдачи к га зовой компоненте для однофазного течения и решение дифференциального уравнения (2), позволяющее оценить вклад капельной компоненты двухфазного потока, можно найти значение общего коэффициента теплоотдачи.

Полученные выводы относятся к монодисперсным потокам. Реальные газожидкостные потоки представляют собой полидисперсные системы с воз можными вариантами различных комбинаций как гомогенного, так и раздель ного течения. Газожидкостный поток в этом случае можно представить как го могенное течение мелкодисперсной фазы, в котором выделяется раздельное движение крупных капель.

Во второй главе рассмотрен теплообмен при продольном обтекании двухфазным потоком высокотемпературной поверхности.

При ламинарном продольном обтекании толщина гидродинамического погранслоя находится по той же формуле, что и для чисто газового потока. Те пловой погранслой принят равным гидродинамическому. Температура капель равна температуре потока за пределами теплового погранслоя: t к = t 0.

При нахождении распределения температуры в тепловом погранслое двухфазного потока использовались те же принципы, что и для чисто газового потока, дополненные учетом влияния капельной фазы.

Предложено распределение температуры для газокапельного потока в виде: = C1 e b y + C 2 y 3 + C 3 y + C 4, где C 1, С 2, С 3, С 4 = сonst.

Распределение температуры должно удовлетворять следующим гранич d ( y = ) = 0, d ( y = 0) = b 2 0, где – ным условиям: ( y = 0) = 0, ( y = ) = 0, dy dy толщина теплового погранслоя, м.

В этом случае распределение температуры для газожидкостного потока в пределах теплового погранслоя будет иметь вид:

(b + 1) e b 1,5 b + y 0 0,5 b e b = 0 e b y + y 3 0 e.

2 3 Коэффициент теплоотдачи от стенки к двухфазному потоку находится по двухф = к + С г + 0,5 С к = к (1 + 0,5 С ) + С г, формуле: (3) где к = г b – коэффициент теплоотдачи к капельной компоненте пото ка, находится из решения уравнения (1), Вт/(м2·К);

г – коэффициент теплоот дачи к газовой фазе, находится по известной формуле для чисто газового пото ка, Вт/(м2·К);

C = e b.

Будем считать влияние одной из фаз доминирующим, если коэффициент теплоотдачи к этой фазе составляет не менее 90% от общего коэффициента те плоотдачи. Тогда можно сделать следующие выводы: при x xг коэффициент теплоотдачи не зависит от капельной фазы;

при x xк коэффициент теплоотда чи определяется только капельной компонентой потока;

при xг x xк коэффи циент теплоотдачи зависит как от капельной фазы, так и от газовой фазы. Зна 0,03 w чения характерных координат будут находиться по формулам: xг =, b2 г 0,25 w, где г – кинематическая вязкость газа, м2/с.

xк = г b Для x xг : Nu x = 0,33 Re 0,5, определяющим размером является продольная x координата x. Для x x к : Nud = 3, 46 d 0,5 определяющим размером является диа d метр капель, где d = – относительное влагосодержание.

к Приняв: =, для xг x xк уравнение (3) может быть преобразовано в г следующие критериальные уравнения:

1 Nud = 3, 46 d 0,5 e 1,5 + 1 + 0,5 e 1,5, ( ) 1, 5 1, + + 0,5 e.

Nu x = 0,33 Re x e 0, Оба эти уравнения идентичны и при расчете коэффициента теплоотдачи дают одинаковые значения.

После начала испарения капель у стенки образуется однофазный газопа ровой слой, отделяющий двухфазный поток от охлаждаемой поверхности. При расчетах предполагалось, что все подведенное тепло пошло на испарение ка пель и увеличение толщины парового слоя.

,Вт/(м *К) Рис.1. Зависимость ко эффициента теплоотдачи от продольной координа ты x при диаметре капель dк=75 мкм, влагосодер жании d=5 кг/кг, скоро сти w=5 м/с:

0 1-двухф;

2-к;

3-г.

0,01 0,02 0,03 0,04 0, x,м Толщина газопарового подслоя будет находиться по формуле:

1 2 п 0 b 2 0, п = + 1 1, (4) b r п d где п – теплопроводность пара, Вт/(м·К);

п – плотность пара, кг/м3;

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

– время, прошедшее с начала испарения, с.

Коэффициент теплоотдачи к капельной фазе равен:

г b к =. (5) b п + Общий коэффициент теплоотдачи в этом случае будет находиться по формуле (3), коэффициент теплоотдачи к капельной фазе по формуле (5), а толщина газопарового слоя по формуле (4).

При турбулентном продольном обтекании высокотемпературной поверх ности двухфазным потоком непосредственно у стенки образуется вязкий лами нарный чисто газовый подслой, через который происходит передача тепла от высоконагретой поверхности к ядру потока. В дальнейших расчетах тепловой подслой принимался равным гидродинамическому. Теплообмен при продоль ном турбулентном обтекании характеризуется квазистационарным режимом теплопроводности. Принималось, что тепловой поток через тепловой подслой q п на его внешней границе отводится как турбулентным переносом газовой фа зы q т, так и тепловым потоком к жидкой фазе qк, возникающим за счет разрыва температур газовой и жидкой компонент потока: q п = q т + q к.

Тогда критериальное уравнение для нахождения коэффициента теплоот дачи при течении двухфазного потока будет иметь вид:

Nu двухф = Nu г = 0,0296 Re 0.8, где – отношение между коэффициентами теплоотдачи при течении га 1+ = зожидкостного и чисто газового потоков: ;

1 + 2,06 Re 0, Re 0, 2 2,06 Re 0, qк = – отношение теплового потока к жидкой фазе к = 33,78 b x x x qт Re x тепловому потоку при турбулентном переносе.

Минимальное значение = 1 будет достигаться при течении чисто газо вого потока, когда = 0 ;

при максимальное значение max = 0,48 Re 0,1.

,Вт/(м *К) Рис.2. Зависимость коэффициента теплоот 185 дачи от продольной 180 1 координаты x при 2 w=50 м/c, d=1 кг/кг, dк=100 мкм:1-двухф;

2- г 0,15 0,2 0,25 0, x,м В третьей главе рассмотрен теплообмен при течении двухфазных пото ков в высокотемпературных цилиндрических каналах.

При ламинарном стабилизированном течении тонкодисперсного двух фазного потока в высокотемпературном цилиндрическом канале задана темпе ратура поверхности в начале участка стабилизации, плотность теплового пото ка полагается постоянной qс = const, при этом само значение qс неизвестно.

При расчете коэффициента теплоотдачи и распределения температур ис пользованы те же принципы расчета, что и для чисто газового потока, допол ненные учетом влияния капельной фазы. Температура в центре трубы в начале участка тепловой стабилизации равна температуре капель. Предложено распре деление температур по радиусу канала для течения двухфазного потока:

J 0 (i b R ) – относительный перепад температур, г –, где = двухф = г J 0 (i b Rтр ) относительный перепад температур для чисто газового потока;

R, Rтр – текущее значение полярного радиуса и радиус трубы соответственно, м.

Значение коэффициента теплоотдачи для двухфазного потока:

двухф = к + г, (6) i J 1 (i b Rтр ) где к = г b – коэффициент теплоотдачи к капельной ком J 0 (i b Rтр ) 1,33 + 5,33 Fo поненте потока, Вт/(м2·К);

г = – коэффициент теплоотдачи к 1 + 5,33 Fo Rтр a x газовой фазе, Вт/(м2·К);

Fo = – критерий Фурье;

=, с – время, за кото w Rтр рое поток пройдет расстояние x от начала участка стабилизации, м.

Выражение (6) можно преобразовать в критериальное уравнение, где в качестве характерного размера принят диаметр трубы:

2,66 + 10,66 Fo (1 + ), Nu = 1 + 5,33 Fo i J 1 (i b Rтр ) 1 + 5,33 Fo где = b Rтр – коэффициент, равный отноше J 0 (i b Rтр ) 1,33 + 5,33 Fo нию теплового потока к капельной фазе к тепловому потоку для газовой фазы.

Плотность теплового потока при заданной температуре стенки в начале квазистационарного участка и коэффициенте теплоотдачи для Fo = 0 определя ется по формуле:

i J 1 (i b Rтр ) 1, 0 ( x = 0 ).

q c = b + J 0 (i b Rтр ) Rтр При турбулентном течении двухфазного потока в высокотемпературном цилиндрическом канале тепло от стенки к ядру потока передается через нахо дящийся у поверхности вязкий ламинарный чисто газовый подслой. В даль нейших расчетах тепловой подслой принимался равным гидродинамическому.

Тепловой поток теплопроводностью через тепловой подслой q п на его внешней границе будет отводиться турбулентным переносом газовой фазы q т и тепло вым потоком к капельной компоненте q к, то есть: q п = q т + q к.

Критериальное уравнение для нахождения коэффициента теплоотдачи при течении двухфазного потока будет иметь вид:

Nu = Nu = 0, 023 Re0,8, (7) 1+ – коэффициент интенсификации теплообмена: = где ;

1 + 0,76 Re 0, Re0, 2 0,76 Re0, qк = – отношение теплового потока к жидкой фазе к = 43,47 b d тр d d qт Red тепловому потоку при турбулентном переносе.

Минимальное значение = 1 будет достигаться для чисто газового пото ка, когда = 0 ;

при максимальное значение: max = 1,31 Re 0,1.

1, Рис.3.Зависимость 1, 3 коэффициента от влагосодержания:

1, 1-dк=100 мкм, Р=5 атм;

1, 2-dк=50 мкм, Р=10 атм;

3-dк=20 мкм, Р=30 атм 1, 0 0,5 1 1,5 d,кг/кг При турбулентном течении двухфазного тонкодисперсного газокапельно го потока в высокотемпературном канале после нагрева до температуры насы щения капли начинают испаряться. В ходе испарения происходит уменьшение диаметра капель и влагосодержания, что приводит к снижению теплового пото ка к капельной фазе. Критериальное уравнение (7) можно использовать и для расчетов при испарении капель. При этом предполагается, что все подведенное тепло пошло на испарение капель, а весь образовавшийся пар остается в ядре потока, что приводит к увеличению критерия Рейнольдса за счет возрастания скорости потока и уменьшению коэффициента интенсификации теплообмена за счет снижения влагосодержания.

В четвертой главе проведено сравнение полученных в диссертации кри териальных зависимостей для нахождения коэффициента теплоотдачи с резуль татами известных экспериментальных исследований.

В подавляющем большинстве экспериментальных работ, посвященных теплообмену в двухфазной среде, отсутствуют полные данные о значениях па раметров потока, определяющих интенсивность теплообмена (влагосодержа ние, температура поверхности, средний диаметр капель), что приводит к серь езным затруднениям при проведении сравнительного анализа.

Этих недостатков лишено экспериментальное исследование [4.Хутская Н.В. Связь между коэффициентами теплоотдачи и трения при турбулентном режиме двухфазного потока / Дейч М.Е., Н.В. Хутская // Теплоэнергетика. – 1988.– №2. – С. 22–25.], посвященное получению связи между коэффициентами теплоотдачи и трения при турбулентном течении двухфазного потока в трубе. В данной работе получены графики критериальных зависимостей Nu = f (Re) для двухфазных потоков при влагосодержании 0,01 – 0,12 кг/кг, атмосферном дав лении и среднем диаметре капель 100 мкм. Погрешность определения коэфф циента теплоотдачи в экспериментах составляет около 5 %.

В результате экспериментов [4] показано, что для двухфазного потока ко эффициент теплоотдачи пропорционален Re 0,9, как и в расчетных данных. От носительно небольшие значения погрешностей (не более 12%), а также совпа дение в общем виде критериальной зависимости для коэффициента теплоотда чи позволяют сделать вывод о высокой степени согласования между данными расчета и результатами экспериментов.

Nu Рис.4. Зависимость Nu от Re для влагосодер жания 0,12 кг/кг расчетные значения При турбулентном эксперимент.данные обтекании различных 15000 25000 35000 45000 55000 типов геометрической Re поверхности двухфазным потоком и наличии непосредственно у обтекаемой поверхности вязкого ламинарного чисто газового подслоя, через который про исходит перенос тепла от высоконагретой стенки к ядру потока, зависимости для нахождения коэффициента интенсификации теплообмена для разных по верхностей являются подобными, отличаясь лишь выбранным характерным размером и значением констант. Поэтому сделано предположение, что для со ответственных характерных размеров отношение коэффициентов интенсифи кации теплообмена для поперечного и продольного обтекания будет оставаться поп приблизительно постоянным: = сonst.

прод При выборе экспериментальной работы для проведения сравнительного анализа необходимо руководствоваться наличием данных обо всех значениях параметров двухфазного потока. Этому условию удовлетворяет работа [5. Ер маков О.Н. Комплексное определение гидравлических и теплотехнических па раметров водовоздушного охлаждения непрерывнолитых слитков / О.Н. Ерма ков [и др.] // Сталь. – 1987. – №6. – С. 24 – 27.], в которой приведены зависимо сти параметров потока от конструктивных параметров установки для попереч ного обтекания двухфазным потоком высоконагретой пластины. Погрешность определения коэффициента теплоотдачи в экспериментах составляет около 8 %.

Сравнение полученных расчетным путем результатов для продольного обтека ния с экспериментальными данными работы [5] для поперечного обтекания по казывает, что значение коэффициента 1,2 остается приблизительно постоян ным и колеблется в небольших пределах. Это позволяет сделать вывод о при менимости использованного подхода к расчету процесса теплообмена для без отрывного обтекания двухфазным потоком высокотемпературной поверхности любой геометрической формы.

1, Рис.5.Зависимость коэффициента от 1, давления в форсунке при давлении воздуха в подво 1, дящем трубопроводе 1,6 атм:

1, 1-линия среднего значения ;

2-значения 1,2 1,25 1,3 1,35 1, Pф, атм ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Для продольного ламинарного обтекания получено критериальное уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи. Показано, что область зна чений коэффициента теплоотдачи в этом случае можно условно разбить на участка: общий коэффициент теплоотдачи определяется только значением ко эффициента теплоотдачи к газовой фазе;

общий коэффициент теплоотдачи за висит как от газовой, так и от капельной фазы;

общий коэффициент теплоотда чи определяется только параметрами капельной компоненты потока.

2. Для ламинарного течения в цилиндрических каналах при qc=const по лучена критериальная зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи. По казано, что общий коэффициент теплоотдачи равен сумме коэффициентов теп лоотдачи к капельной и газовой фазам.

3. Для турбулентного режима течения введен коэффициент интенсифика ции теплообмена, равный отношению коэффициента теплоотдачи для газо жидкостного к коэффициенту теплоотдачи для чисто газового потоков и полу чена зависимость коэффициента от параметров потока. Показано, что макси мальное значение пропорционально Re 0,1 с точностью до константы, значе ние которой зависит только от геометрической формы поверхности.

4. Проведено сравнение полученных в диссертации результатов с экспе риментальными данными других авторов, показавшее высокую степень согла сования экспериментальных данных и результатов расчета. Сделан вывод о применимости использованного подхода к расчету процесса теплообмена для безотрывного обтекания двухфазным потоком высокотемпературной поверхно сти любой геометрической формы.

Публикации по диссертационной работе. Основное содержание дис сертационной работы полностью отражено в 7 научных и научно-технических работах автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1] – получение распре деления температуры по поверхности капли при ее испарении на высоконагре той горизонтальной поверхности;

[2] – получение и анализ критериальных за висимостей для расчета коэфициента теплоотдачи при ламинарном продольном обтекании двухфазным потоком высокотемпературной поверхности;

[3] – по лучение и анализ критериального уравнения для нахождения коэфициента теп лоотдачи при течении двухфазного потока в высоконагретом цилиндрическом канале.

Публикации в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ 1. Губарев В.Я., Арзамасцев А.Г. Испарение капли на высокотемператур ной поверхности / В.Я. Губарев, А.Г.Арзамасцев // Тепловые процессы в техни ке. – 2010. – №2. – С.63 – 67.

2. Губарев В. Я., Арзамасцев А.Г. Теплообмен при ламинарном течении газожидкостного аэрозоля вдоль высокотемпературной поверхности / В.Я. Гу барев, А.Г.Арзамасцев // Вестник Рыбинского Государственного Авиационо Технического Университета, г. Рыбинск. – 2012. – №1(22). – С.152 – 156.

3. Губарев В.Я., Арзамасцев А.Г. Теплообмен при турбулентном течении газожидкостного потока в высокотемпературном цилиндрическом канале / В.Я.

Губарев, А.Г.Арзамасцев // Вестник ТГТУ. – 2012.– Т 18, №3. – С.609 – 614.

Публикации в других изданиях 4. Губарев В.Я., Арзамасцев А.Г.. Испарение капли на высокотемператур ной поверхности / В.Я. Губарев, А.Г.Арзамасцев // Тезисы докладов XVII Шко лы-семинара молодых-ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблема газодинамики и тепломассобмена в аэрокосми ческих технологиях». – М.: МЭИ, 2009. – С.379 – 381.

5. Губарев В.Я., Арзамасцев А.Г. Испарение капли на высокотемператур ной поверхности / В.Я. Губарев, А.Г.Арзамасцев // Труды XVII Школы семинара молодых-ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблема газодинамики и тепломассобмена в аэрокосмических технологиях». – М.: МЭИ, 2009. – Т.2. – С.315 – 318.

6. Губарев В. Я., Арзамасцев А.Г. Теплообмен при турбулентном течении газожидкостных аэрозолей в цилиндрических каналах / В.Я. Губарев, А.Г.Арзамасцев // Тезисы докладов XVIII Школы-семинара молодых-ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблема га зодинамики и тепломассобмена в новых энергетических технологиях». – М.:

МЭИ, 2011. – С.255 – 259.

7. Губарев В.Я., Арзамасцев А.Г. Теплообмен при продольном обтекании тонкодисперсным двухфазным потоком высокотемпературной поверхности / В.Я. Губарев, А.Г.Арзамасцев // Тезисы докладов XIX Школы-семинара моло дых-ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблема газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках». – М.: МЭИ, 2013.– С.47 – 49.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.