МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ОПЫТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО КОНВЕКТИВНОМУ ТЕПЛООБМЕНУ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования по теплоотдаче при вязкостно-гравитационном течении жидкости в горизонтальном канале вдоль одиночной трубы и пучка с шахматным расположением труб.

ABSTRACT

The article presents the results of research on heat transfer in a viscous-gravitational fluid flow in a horizontal channel along a single pipe and a bundle with a staggered arrangement of pipes.

Ключевые слова: теплоотдача, конвекция, теплоноситель, плотность, Рейнольдс, Нуссельт.

Keywords: heat transfer, convection, coolant, density, Reynolds, Nusselt.

Общеизвестно, что теплообменные аппараты широко используются в различных отраслях народного хозяйства нашей страны и во всем мире. Особенно много теплообменников применяются в химической, нефте и газоперерабатывающих, нефтехимической, пищевой, энергетике, холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования и других производствах [1, с.63]. Так, например, химической и нефтеперерабатывающих предприятиях, доля теплообменной аппаратуры составляет 40%.

Проведены исследования по теплоотдаче при вязкостно-гравитационном течении жидкости в горизонтальном канале вдоль одиночной трубы и пучка с шахматным расположением труб, обогревательных по закону t_c=const. При этом изменялась скорость течения воды и температура входа горячего теплоносителя, т.е. технического масла, что позволило получить данные по теплоотдаче в широком диапазоне изменения числа Релея, характеризующего вклад свободной конвекции в процесс теплоотдачи. Использование в качестве экспериментальных участков пучков с различным расположением труб в пучке на интенсивность теплоотдачи при совместном действии свободной и вынужденной конвекции. Также проводилось исследования локальной и средней теплоотдачи при вязкостно-гравитационном течении жидкости вдоль одиночной трубы, обогреваемой по закону q_c=const.

В процесс исследования изменялась скорость течения воды и плотность теплового потока, за счет изменения силы тока, проходящего непосредственно через стенку трубы. В ходе экспериментов исследовалось распределение поля температур с помощью 15 термопар, заделанных в стенке трубы. Как уже отмечалось выше, в результате проведения экспериментов при t_c=const имели возможность получить следующие данные: расход горячего и холодного теплоносителей (G₁, G₂), температуры входа и выхода горячего (t₁^¢, t₁^²) и холодного (t₂^¢, t₂^²) теплоносителей.

Перед расчетом, определив среднемассовые температуры обоих теплоносителей по формуле [2, с.49; 3, с.1142]

                                                            (2.2.1)

Находились все теплофизические свойства для каждого теплоносителя ( с_р, l, r, m, n, Pr ). И так, исходные данные для расчета:

Таблица 2.2.1.

Исходные данные для расчета

Расчет ведем сначала по горячей стороне:

- определяем число Прандтля по формуле:

Pr = c_p×m/l

- определяем число Рейнольдса по формуле [4, с.213]:

где d_э =D – эквивалентный диаметр, м; D – внутренний диаметр, м.

Далее находим число Нуссельта [5, с.130]

  При Re ³ 3500

В этом уравнении не учитывается направление теплового потока, поэтому в дальнейшем необходимо ввести поправку (m_с/m_ж)^-0,25 [6, с.95]. Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке

Количество тепла, отданное горячим теплоносителем

Количество тепла, принятое холодным теплоносителем

Средне логарифмический температурный напор

коэффициент теплопередачи

где l – длина трубы, м; с другой стороны можно записать

где D₁ – наружный диаметр трубы, м; l_с – коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, Вт/м∙К.

Отсюда находим коэффициент теплоотдачи, по холодной стороне

Температура стенки с наружной стороны:

Определяем отношение

Находим a₁ с учетом этой поправки

Находим

Определяем уточненное значение температуры стенки [7, с.102]

Далее расчет ведется по холодной стороне:

Далее, зная , находим значение числа Нуссельта

Определяем критерий Gr - число Грасгофа [8, с.87]

Вычисляем критерий Ra - число Релея [9, с.53]

Находим

Определяем отношение (m_ж/m_с)^0,14. Далее определяем

 и

Таким образом, изменялась скорость течения воды и плотность теплового потока, за счет изменения силы тока, проходящего непосредственно через стенку трубы. Также, исследовалось распределение поля температур с помощью 15 термопар, заделанных в стенке трубы. Как уже отмечалось выше, в результате проведения экспериментов при t_c=const имели возможность получить следующие данные: расход горячего и холодного теплоносителей (G₁, G₂), температуры входа и выхода горячего (t₁^¢, t₁^²) и холодного (t₂^¢, t₂^²) теплоносителей.

Список литературы:

1. Афанасьев В.Н. Теплообмен и трение на поверхностях, профилированных сферическими углублениями /В.Н. Афанасьев, А.И. Леонтьев, Я.П. Чудновский// Препр. МГТУ им. Н.Э. Баумана №1-90. – М.: Изд-во МГТУ, 1990. – 118с.: ил.
2. Беленький М.Я. теплогидравлические характеристики поперечно обтекаемых поверхностей с лунками /М.Я. Беленький, М.А. Готовский, Б.М. Леках //Теплоэнергетика. – 1995. - №1. – С.49-51.
3. Беленький М.Я. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формированных сферическими лунками. /М.Я. Беленький, М.А. Готовский, Б.М. Леках // Теплофизика высоких температур. – 1991. – Т.29. - №6. – С.1142-1147.
4. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. 472 с.
5. Юсупова Н.К. Технология получения строительного битума из нефтяных шламов. Дисс. докт.фил. (PhD) технических наук, Ташкент-2021. – 101 с.
6. Калинин Э. К. , Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 200 с.
7. Гортышов Ю.Ф. Расчетное и опытное моделирование теплообмена и сопротивления в каналах со сферическими выемками на стенках /Ю.Ф. Гортышов, В.В. Олимпиев, Р.Д. Амирханов// Тепломассообмен. ММФ-96: Тезисы докладов. – Минск: ИТМО АНБ, 1996. – Т.1. – Ч.2. – С.137-141.
8. Гортышов Ю.Ф. Теплообмен и трение в каналах со сферическими углублениями/Ю.Ф. Гортышов, Р.Д. Амирханов // Сб. Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах и энергетических установках. – Казань: КГТУ, 1995 – С.87-90.
9. Интенсификация теплообмена при помощи лунок в плоском канале при низких скоростях движения воздуха /А.В. Туркин, А.Г. Сорокин, О.Н. Брагина и др.// тепломассообмен. ММФ-92. – Минск,1992. – Т.1. – Ч.1. – С.53-55.