Исследование гидродинамических режимов сферической углубленной трубы

АННОТАЦИЯ

В статье предлагается новая конструкция внутреннего трубного профиля кожухотрубных теплообменников, используемых в процессах теплообмена на промышленных предприятиях. При разработке конструкции были выбраны сферические утопленные и сферические профили выпускных труб, проведен систематический анализ их рабочих параметров и определены промежуточные границы. Исследованы гидродинамические режимы предложенного сферически вогнутого профиля трубы. В экспериментах расход жидкости составлял Q = 0,043-0,288 м³/ч в зависимости от изменения радиуса сферической депрессии и режим потока 3855÷ 25087 оказалось в диапазоне. Экспериментальные результаты были получены из эмпирических формул с использованием метода наименьших квадратов.

ABSTRACT

The article proposes a new design of the inner tube profile of shell-and-tube heat exchangers used in heat exchange processes at industrial enterprises. When developing the design, spherical recessed and spherical profiles of the exhaust pipes were selected, a systematic analysis of their operating parameters was carried out and intermediate boundaries were determined. The hydrodynamic regimes of the proposed spherically concave pipe profile are investigated. In the experiments, the liquid flow rate was Q = 0.043-0.288 m³/h, depending on the change in the radius of the spherical depression andflow mode 3855÷ 25087 was in the range. The experimental results were obtained from empirical formulas using the least squares method.

Ключевые слова: визуальное положение, систематический анализ, труба, сферический выход, сферический сток, хладагент, режим течения, поток, скорость, модель.

Keywords: visual position, systematic analysis, pipe, spherical outlet, spherical drain, refrigerant, flow mode, flow, velocity, model.

Введение. Влияние внутренних трубок и зон теплообмена на процесс теплообмена в кожухотрубном теплообменнике и визуальное состояние происходящих внутри устройства событий учитывалось на основе программы MATLAB [1,2]. Для сферического анализа были выбраны сферический выходной и сферический нижний профили внутренней трубы [3].

Систематические анализы выявили изменение температуры нагрева и нагревательных продуктов в зонах теплообменника с встречным потоком во времени. По мере того как температура холодной жидкости увеличивается от зоны к зоне, температура горячей жидкости снижается. По результатам анализа было доказано, что можно выбрать оптимальную длину трубы или оптимальный размер теплообменной поверхности и одновременно теплообменного устройства. По мере увеличения количества зон точность модели возрастала. Но это вызвало увеличение гидравлического сопротивления. Этот систематический метод анализа позволил точно рассчитать систему и процесс теплообмена [2,4,5].

Результаты систематического анализа проанализированных профилей труб по их параметрам показали, что процесс взаимного теплообмена между продуктом и хладагентом на обоих иерархических уровнях был намного лучше в сферической углубленной трубе, чем в сферической выпуклой трубе. Однако отсутствие регулирования режима потока в сферической выпуклой трубе создавало неудобства в использовании трубы. Это, в свою очередь, связано с конструкцией трубы.

Методика и результаты исследования. По результатам системного анализа разработана усовершенствованная расчетная схема сферического утопленного профиля трубы (рисунок 1).

Рис.1. Конструктивная схема сферического утопленного профиля трубы:

D и d - внутренние диаметры трубы; S- длина сферической депрессии: h- высота сферической углубления; R - радиус сферической углублений; t - расстояние до центра двух сферических бассейнов

Преимущество предлагаемой сферической углублений перед существующими трубами состоит в том, что, во-первых, сферическая воронка S длина хладагента обеспечивает увеличение режима потока. Наоборот внутренний диаметр трубы D нарушает режим потока, что, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления внутри трубы. В результате процесс теплообмена ускоряется.

Однако недостаточно исследовано влияние гидродинамических режимов на процесс теплообмена в трубе этого профиля. Поэтому настоящая научно-исследовательская работа направлена на изучение гидродинамических режимов предлагаемой сферической углублений трубы.

С целью проведения экспериментальных исследований в исследовательские работы были включены следующие планы по изучению влияния переменных факторов на гидродинамический режим и интенсивность теплообмена в Приборе.

• разработка усовершенствованного профиля полой сферической трубы для лабораторной установки кожухотрубного теплообменника для экспериментальных исследований;
• экспериментальное определение расхода хладагента и режимов потока;
• изучить влияние режима потока на процесс теплообмена;
• обоснование оптимальных значений параметров устройства.

Метод экспериментального определения расхода хладагента в сферической сливной трубе. Центробежный насос (7) Q_max = 40 л/мин для хладагента в кожухотрубном теплообменнике; N_дв = 0,37кВт; h_max = 38 м; V = 220В; n_об = 3000 об/мин по ГОСТ-2757030-91, ротометр 24 (РС-5; показания шкалы в диапазоне 0 ÷ 100; по ГОСТ-13045-81), полая сферическая трубка (длина l = 800 мм и d = 10 мм) и Полный объем стакана был выбран на вес 3,2 л. Расход жидкости и скорость определялись объемным методом. Для этого время наполнения стакана определялось по показаниям ротометра 0 ÷ 90, и, таким образом, расход и скорость жидкости определялись с использованием доступных методов расчета [5,6,7]. Экспериментальные исследования проводились при следующих параметрах профиля трубы: длина сферического углубления S = 25 мм, радиус сферического углубления R = 10; 20 и 30 градусов внутренний диаметр трубы был выбран D = 10 мм и d = 7 мм. Каждый эксперимент повторяли 5 раз и строили график изменения расхода тепла теплоносителя в зависимости от шкалы ротометра (рис. 2). Погрешность эксперимента не превышала 5%.

Рисунок 2. Зависимость расхода теплоносителя от показаний шкалы ротаметра:

1 - Общий расход жидкости насосом; 2– при R = 10 гр и сопротивлении трубы 1,25; 3– при R = 20 гр и сопротивлении трубы 1,48; 4– при R = 30 гр и сопротивлении трубы 1,68;

Из данных, представленных на рисунке 2, видно, что для каждого случая, когда показания шкалы ротометра меняются от 0 до 90, общий расход насоса Q = 0,073-0,360 м³/час, при радиусе сферической углублений R = 10 градусов расход жидкости Q = 0,058-0,288 м³/час, при радиусе сферической депрессии R = 20 градусоврасход жидкости Q = 0,049-0,246 м³/час, а Когда R = 30 градусов расход жидкости составлял Q = 0,043-0,214 м³/час. Изменение расхода по каждому показателю увеличивалось в среднем с шагом 0,03 м³/час.

Следующие эмпирические формулы были получены методом наименьших квадратов [4,10].

                                         (1)

                                         (2)

                                           (3)

                                         (4)

Метод определения режима течения хладагента в сферически погруженной трубе. По результатам описанных выше экспериментов скорость теплоносителя и его режимы потока в полой сферической трубе были определены с использованием уравнения для определения потока и режимов потока, а также был построен график скорости потока теплоносителя. нанесены на график (рисунки 3; 4 и 5). Значения скоростей теплоносителя приведены в таблице-1.

По его словам, расход жидкости определяется следующим уравнением: м³ / час [7,8];

                                                            (5)

где R_x0001_- диаметр сливной трубы, мм; ω-скорость жидкости, м/с; _x0001_π-3,14.

Определим скорость жидкости из уравнения (5). В этом случае уравнение выглядит так, м/с;

                                                                (6)

Режим потока теплоносителя, движущегося в сферически погруженной трубе, определяется по следующему уравнению;

                                                                (7)

где ν - кинематическая вязкость жидкости, которую мы вычисляем как 1,006ˑ10^-6 Па · с, а температура окружающей среды - как 20^oС [9].

Таблица 1.

Определенные обноруженный скорость теплоносителя

Рисунок 3. График зависимости режима течения от радиуса сферической раковина.

Когда R = 10 гр-const.

Рисунок 4. График зависимости режима течения от радиуса сферической раковина.

Когда R = 20 гр-const.

Рисунок 5. График зависимости режима течения от радиуса сферической раковина.

Когда R = 30 гр-const.

Из данных на рисунках 3; 4 и 5 видно, что для каждого случая, когда показания шкалы ротометра находятся в диапазоне от 0 до 90, радиус сферического стока R = 10 градусов const и режим потока, когда скорость теплоносителя изменяется в зависимости от формы ротометра, в то время как режим потока увеличивается, когда R = 20 градусов const, а скорость теплоносителя изменяется в зависимости от ротометра форма 4417÷ Рост наблюдался в пределах 20660. R = 30 градусов const и режим потока, когда скорость теплоносителя меняется в зависимости от формы ротометра.3855÷ Рост наблюдался в диапазоне 18704 года. Эту ситуацию можно объяснить тем, что с увеличением радиуса погружения сферической трубы увеличивается гидравлическое сопротивление в трубе, что, в свою очередь, приводит к снижению режима течения теплоносителя. Это позволяет полностью использовать теплообменник. Однако максимально возможное приближение режима потока к ламинарному режиму отрицательно сказывается на характеристиках устройства. Следующие эмпирические формулы были получены методом наименьших квадратов [4-12].

                                                  (8)

                                                 (9)

                                                (10)

Заключение. Ситуация с нанесением гладко выполненных кольцевых выступов на внутренней поверхности стеновых теплообменных ускорительных трубок учеными считается наиболее эффективной. В последнее время ускорение поглощения тепла с помощью полых сферических трубок привлекло внимание многих исследователей. Именно такие профили труб представляются наиболее перспективным решением проблемы ускорения теплообмена как на внешней поверхности труб, так и внутри них при сопоставимой скорости увеличения гидравлического сопротивления. Однако проблема оптимизации гидравлического сопротивления, разработки метода его расчета и ускорения теплообмена в устройстве остается сложной. Чистые пары в сферических металлокерамических трубах, в том числе данные об ускорении теплопередачи при конденсации водяного пара немногочисленны или отсутствуют, а имеющиеся данные по тем или иным причинам до сих пор не используются широко в химической и нефтегазовой технологии. Поэтому важно ускорить теплопередачу за счет систематического анализа профилей труб этого типа и разработки новой структурной схемы трубы и изучения их гидродинамических режимов.

Список литературы:

1. Исомидинов А., Кохоров И., Х. Хомидов, М. Маманазаров. Систематический анализ интенсификации процессов в продуктах теплообмена // Современные научные вызовы и тенденции. Варшава, "iScience". – 2020. – № 4 (26), – с. 220-224.
2. Артиков А. А. Компьютерные методы анализа и синтеза химико-технологических систем // Т.:«Ворис. – 2012. – 160 стр.
3. Гортышов Ю. Ф. и др. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. – 2009. – 531 стр.
4. Isomidinov A. Mathematical modeling of the optimal parameters of rotory filter apparatus for wet cleaning of dusty gases // International journal of advanced research in science, Engineering and technology. – 2019. – Т. 6. – №. 10. – С. 258-264.
5. Ахроров А. А. У., Исомиддинов А. С., Тожиев Р. Ж. Гидродинамика поверхностно-контактного элемента ротор-фильтрующего пылеуловителя //Universum: технические науки. – 2020. – №. 8-3 (77).
6. Исомидинов А. С. Исследование гидравлического сопротивления роторно-фильтрующего аппарата // Universum: технические науки. – 2019. – №. 10-1 (67).
7. Исомидинов А.С., Каримов И.Т., Тожиев Р.Дж. Экспериментальное определение расхода жидкости в роторном фильтре пылеуловителя // Проблемы повышения эффективности и энергоэффективности современного производства. Международная научно-практическая конференция. – Андижан, – 2018. – Б. 424-428.
8. Юсупбеков Н.Р., Нурмухамедов Х.С., Зокиров С.Г. Основные процессы и устройства химической технологии. – Ташкент: Наука и технологии, – 2015. – 848 с.
9. Тожиев Р. Ж. и др. Выбор оптимального абсорбента для очистки водородно-фтористого газа в роторно-фильтровальном аппарате и исследование эффективности аппарата // Universum: технические науки. – 2021. – №. 3-4 (84). – С. 44-51.
10. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика // Для инженеров и ученых – М .: Физматлит, – 2006. – 816 с.
11. Ахунбаев А. А., Туйчиева Ш. Ш., Хурсанов Б. Ж. Учёт диссипации энергии в процессе сушки дисперсных материалов //Universum: технические науки. – 2020. – №. 12-1 (81).
12. Ахунбаев А. А., Ражабова Н. Р., Вохидова Н. Х. Исследование гидродинамики роторной сушилки с быстровращающимся ротором //Экономика и социум. – 2020. – №. 12-1. – С. 392-396.