Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока

Выполнено экспериментальное исследование теплообмена и гидравлических потерь в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока. Закрутка потока осуществлялась за счет отгиба лепестков вставки высотой 10 мм на угол от 15° до 45°. Анализируется теплогидравлическая эффективность предлагаем...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Доник, Т.В., Халатов, А.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2012
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- и массообменные процессы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59072
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока / Т.В. Доник, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 28-32. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-59072
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-590722014-04-07T03:01:29Z Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока Доник, Т.В. Халатов, А.А. Тепло- и массообменные процессы Выполнено экспериментальное исследование теплообмена и гидравлических потерь в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока. Закрутка потока осуществлялась за счет отгиба лепестков вставки высотой 10 мм на угол от 15° до 45°. Анализируется теплогидравлическая эффективность предлагаемого метода интенсификации теплообмена. Виконано експериментальне дослідження теплообміну та гідравлічних втрат в трубі з хрестоподібною вставкою і частковою закруткою потоку біля стінки. Закрутка потоку здійснювалась за рахунок відгину пелюстків вставки висотою 10 мм на кут від 15° до 45°. Аналізується теплогідравлічна ефективність передбачуваного методу інтенсифікації теплообміну. The heat transfer and hydraulic losses have been studied in a tube with cruciform insert and partial flow swirl. The flow swirl was formed by means of the upper part of insert 10 mm height folding at the angle from 15° to 45° degrees. The thermalhydraulic performance of the proposed heat transfer enhancement technique is analyzed. 2012 Article Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока / Т.В. Доник, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 28-32. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59072 532.5.013.12 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Доник, Т.В. Халатов, А.А. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока Промышленная теплотехника
description	Выполнено экспериментальное исследование теплообмена и гидравлических потерь в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока. Закрутка потока осуществлялась за счет отгиба лепестков вставки высотой 10 мм на угол от 15° до 45°. Анализируется теплогидравлическая эффективность предлагаемого метода интенсификации теплообмена.
format	Article
author	Доник, Т.В. Халатов, А.А.
author_facet	Доник, Т.В. Халатов, А.А.
author_sort	Доник, Т.В.
title	Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока
title_short	Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока
title_full	Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока
title_fullStr	Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока
title_full_unstemmed	Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока
title_sort	теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/59072
citation_txt	Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока / Т.В. Доник, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 28-32. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT doniktv teploobmenigidravličeskoesoprotivlenievtrubeskrestoobraznojvstavkojičastičnojzakrutkojpotoka AT halatovaa teploobmenigidravličeskoesoprotivlenievtrubeskrestoobraznojvstavkojičastičnojzakrutkojpotoka
first_indexed	2025-07-05T10:17:28Z
last_indexed	2025-07-05T10:17:28Z
_version_	1836801745105190912
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №228 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ УДК 532.5.013.12 Доник Т.В., Халатов А.А. Институт технической теплофизики НАН Украины ТЕПЛООБМЕН И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ТРУБЕ С КРЕСТООБРАЗНОЙ ВСТАВКОЙ И ЧАСТИЧНОЙ ЗАКРУТКОЙ ПОТОКА Виконано експериментальне дослідження теплообміну та гід- равлічних втрат в трубі з хресто- подібною вставкою і частковою закруткою потоку біля стінки. За- крутка потоку здійснювалась за рахунок відгину пелюстків встав- ки висотою 10 мм на кут від 15о до 45о. Аналізується теплогідрав- лічна ефективність передбачува- ного методу інтенсифікації тепло- обміну. Выполнено экспериментальное исследование теплообмена и гид- равлических потерь в трубе с крес- тообразной вставкой и частичной закруткой потока. Закрутка пото- ка осуществлялась за счет отгиба лепестков вставки высотой 10 мм на угол от 15о до 45о. Анализирует- ся теплогидравлическая эффектив- ность предлагаемого метода интен- сификации теплообмена. The heat transfer and hydraulic losses have been studied in a tube with cruciform insert and partial flow swirl. The flow swirl was formed by means of the upper part of insert 10 mm height folding at the angle from 15o to 45o degrees. The thermal- hydraulic performance of the proposed heat transfer enhancement technique is analyzed. Введение Проблема интенсификации теплообмена в каналах продолжает привлекать внимание исследователей и инженеров в связи с разра- боткой новых энергетических установок, ин- тенсивных технологических аппаратов, про- мышленных теплообменников, рекуператоров теплоты и химических реакторов. Для интенсификации внутреннего тепло- обмена используется закрутка потока, турбу- лизация потока, оребрение поверхности, вы- ступы и углубления различной формы, а также другие методы [1, 2]. Одним из эффективных и простых в исполнении методов интенсифи- кации теплообмена является закрутка потока. Однако используемые в настоящее время за- кручивающие устройства (завихрители, скру- ченные ленты, шнеки, спиральная накатка и спиральное оребрение) обладают рядом не- достатков, которые сужают область их прак- тического использования. Главным из них яв- ляются большие потери давления за счет вра- щения всего потока, а в ряде случаев недоста- точно высокая интенсивность закрутки потока у поверхности канала. В настоящей работе рассмотрены кресто- образные вставки с частичной закруткой по- тока, которая генерируется у стенки канала. Такие завихрители технологичны и облада- ют свойством самоочистки от промышленных загрязнений. За счет перераспределения рас- хода осевого (в центральной части потока) и закрученного (у стенки) потоков такие закру- чивающие устройства позволяют регулиро- вать интенсивность теплообмена в широких пределах при неизменном расходе теплоноси- теля в канале. d – диаметр трубы; f – коэффициент гидравлического сопротивле- ния экспериментального участка; l – длина экспериментального участка; Nu – число Нуссельта; ΔP – перепад статического давления на длине экспериментального участка; Re – число Рейнольдса; w – среднерасходная скорость; ФАР = (Nud /Nu0)/(f/f0) – фактор аналогии Рейнольдса; φ – угол закрутки потока; ρ – плотность воздуха. Индексы: d – диаметр трубы; 0 – осевое стабилизированное течение (труба без вставки); г – геометрическое значение. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 29 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Результаты исследования Ввиду сложной вихревой структуры по- тока и неопределенности выбора модели тур- булентности для исследования выбран экспе- риментальный метод. Схема эксперименталь- ной установки и результаты тестовых экспе- риментов представлены в работе [3]. Исследуемая крестообразная вставка пред- ставлена на рис. 1. Закрутка потока осущест- вляется за счет отгиба лепестков ребер вставки у стенки канала на угол φг = 15о, 25о, 30о, 35о, 40о и 45о. Дискретные прямоугольные струи, выходящие из прямоугольных отверстий каж- дого оребрения, попадают в отверстия сосед- него оребрения, далее движутся через отверс- тия других ребер, тем самым, образуя систе- му винтовых линий, которые обеспечивают закрутку потока у стенки трубы [4]. Геометри- ческая форма и основные размеры вставки представлены на рис. 1. Изучался средний теплообмен от поверх- ности трубы к потоку воздуха в условиях близких к закону qw = const при квазиизотер- мических условиях. Внутренний диаметр трубы составлял 66 мм, а длина – 370 мм (l/d = 5,6). На внешней поверхности трубы смонтирован омический электрический на- греватель, напряжение на клеммах которого измерялось вольтметром Щ4313, а ток в спи- рали – с помощью шунта и цифрового мил- ливольтметра В7–46/1. В экспериментах измерялись расход воз- духа (расходомер Вентури), средняя темпе- ратура воздуха на входе в рабочий участок (образцовый термометр) и на выходе из него. Для этого на выходе устанавливался смеси- тель [3], в который помещался образцовый термометр. Температура внутренней поверх- ности трубы по ее длине измерялась хромель- алюмелевыми термопарами в семи точках. Средний тепловой поток определялся на осно- ве измерения расхода воздуха через экспе- риментальный участок, а также средних тем- ператур потока на входе и выходе. Для определения гидравлического сопро- тивления канала измерялся перепад статичес- кого давления на длине рабочего участка в изотермических условиях. При измерениях на выходе устанавливался успокоительный участок трубы длиной 400 мм. Расход воздуха в экспериментах состав- лял 0,034…0,089 кг/с, число Рейнольдса Red, вычисленное по диаметру трубы, изменялось от 4·104 до 9·104, что соответствовало усло- виям развитого турбулентного режима. Тем- пература воздуха на входе в канал составля- ла 21…28 оС. Экспериментальный участок имел достаточно высокую теплоемкость, по- этому время выхода на стационарный тепло- вой режим при проведении экспериментов составляло не менее 1,5 часов. Результаты определения среднего тепло- обмена при различных значениях геометри- ческого угла закрутки φг представлены на рис. 2, 3. В области φг=15…30о теплообмен возрастает на 80…150 % по сравнению с теп- лообменом при осевом стабилизированном турбулентном течении в трубе (линия 1). При этом интенсификация теплообмена примерно одинакова для всех чисел Рейнольдса. При уве- личении угла закрутки от 30о до 35о теплообмен уменьшается, однако в области φг=40о – 45о он вновь возрастает. На рис. 4 представлена зависимость отно- шения oNu Nud / от угла закрутки φг. Как сле- дует, имеет место немонотонное, с локальным максимумом и минимумом, изменение отно- шения oNu Nud / в зависимости от угла φг, что Рис. 1. Крестообразная вставка с закруткой потока у стенки трубы (схема и основные геометрические размеры). ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №230 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ связано со сложным механизмом течения и теплообмена в канале с закруткой потока у стенки. В соответствии с принципом суперпозиции отдельных факторов средний теплообмен от стенки к потоку можно определить следующим Рис. 2. Средний теплообмен в трубе: крестообразная вставка с частичной закруткой потока: 1 – осевое стабилизированное турбулентное течение; 2 – φг = 15о; 3 – = 25о; 4 – = 30о. образом: oNu Nud / = εφ∙ε, где oNu – средний теплообмен в трубе при осе- вом стабилизированном течении; εφ, ε – от- носительные функции закрутки потока и вих- ревого перемешивания в канале. В таблице приведены результаты опреде- ления функций εφ и ε, где значение εφ рас- считывалось в соответствии с теорией винто- вой линии [5]. Как следует при φг < 30о преоб- ладает вихревое перемешивание потока, при φг = 35о имеет место соизмеримый вклад за- крутки потока и вихревого перемешивания, а при φг > 35о – доминирует закрутка потока. Рис. 3. Средний теплообмен в трубе: крестообразная вставка с частичной закруткой потока: 1 – осевое стабилизированное турбулентное течение; 2 – φг=30о; 3 – = 35о; 4 – = 40о; 5 – = 45о. Рис. 4. Зависимость отношения oNu Nud / от геометрического угла закрутки φг. Таблица. Факторы закрутки и вихревого перемешивания φг Экспе- римент oNu Nud / Закрутка потока, εφ Вихревое перемешива- ние, ε ФАР 15o 1,52 1,05 1,45 0,292 25o 1,83 1,15 1,59 0,296 30o 1,91 1,22 1,56 0,276 35o 1,74 1,32 1,32 0,218 40o 1,81 1,45 1,25 0,200 45o 1,88 1,62 1,16 0,177 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 31 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Такой характер влияния отдельных факто- ров обусловлен тем, что при слабой закрутке (φг < 35о) закрученная струя ударяется о по- верхность ребра со «скольжением» (или может даже не достигать ее) и не попадает в соседний канал закрутки. В этом случае в каналах встав- ки формируется сложная вихревая структура. При φг = 35о большая часть потока из каждого канала закрутки попадает в соседний канал, формируя таким образом систему закручен- ных струй, и вклад закрутки потока и вихре- вого перемешивания становится соизмери- мым. При φг > 35о струи наклонно-импак- тно ударяются о поверхность ребер вставки и формируют вторичную закрутку потока, но часть потока проходит через каналы закрутки. Следует отметить, что при всех углах закрут- ки потока имеет место его взаимодействие с внешней частью лепестков, что формирует дополнительную вихревую структуру, которая доминирует при малых углах закрутки. Результаты определения коэффициента ги- дравлического сопротивления в зависимости от числа Рейнольдса Red представлены на рис. 5. Здесь f = 2·ΔP/(l/d)ρw2 – гидравлическое сопротивление трубы со вставкой. Как вид- но из рисунка, коэффициент сопротивления уменьшается с ростом числа Red и монотонно увеличивается с ростом геометрического угла закрутки φг. На рис. 6 представлена зависимость отно- шения f/fo от угла закрутки φг. Это изменение автомодельно по числу Red, но в отличие от зависимости oNu Nud / его изменение имеет монотонный характер. На рис. 7 в координатах ФАР – f/f0 пред- ставлены данные настоящего исследова- ния (таблица), а также результаты, получен- ные для других устройств, использующих принцип закрутки и отрыва потока. При ис- пользовании такой системы координат все методы интенсификации теплообмена распо- лагаются в области между двумя граничны- ми линиями – для оребрения при высоких числах Рейнольдса (линия 1) и поверхност- ных сферических углублений при низких чис- лах Рейнольдса (линия 2) [6]. Более высокое теплогидравлическое качество интенсифика- тора теплообмена характеризуется прибли- жением его данных по фактору аналогии Рей- нольдса к линии 2. Из анализа данных, представленных на рис. 7, можно сделать следующие основные выводы: Экспериментальные данные для различных интенсификаторов, в том числе результаты Рис. 5. Гидравлическое сопротивление: крестообразная вставка с закруткой потока у стенки: 1 – осевое стабилизированное турбулентное течение; 2 – φг = 15о; 3 – = 25о; 4 – = 30о; 5 – = 35о; 6 – = 40о; 7 – = 45о. Рис. 6. Зависимость отношения f/fo от геометрического угла закрутки φг. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №232 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ настоящего исследования для φг = 15о…45о, располагаются на обобщающей линии 3. Хотя эти данные относятся к различным методам интенсификации теплообмена, но они харак- теризуются общим механизмом интенсифи- кации теплообмена за счет закрутки потока, его отрыва и вихревого перемешивания. Выводы 1. Изучен средний теплообмен и гидравли- ческое сопротивление в трубе с крестообраз- ной вставкой и частичной закруткой потока. Рис. 7. Фактор аналогии Рейнольдса в канале: интенсификаторы, выступающие в поток: 1 – оребрение при высоких числах Рейнольдса; 2 – поверхностные сферические углубления при низких числах Рейнольдса; 3 – обобщающая линия; 4 – 9: данные настоящего исследования: 4 – φг=15о; 5 – = 25о; 6 – = 30о; 7 – = 35о; 8 – = 40о; 9 – = 45о; 10 – спиральные выступы; 11 – 12 – крестообразная вставка: 11 – со сферическими углублениями на поверхности; 12 – со сферическими углубления и ребрами на поверхности вставки; 13 – проволочные спиральные вставки; 14 – чередующиеся сферические выступы; 15 – сферические выступы; 16 – винтовые трубы; 17 – каналы переменного сечения; 18 – цилиндрические штырьки; 19 – внутренние спиральные канавки. Построена диаграмма теплогидравлической эффективности. 2. Наиболее высокий уровень интенсифи- кации теплообмена наблюдается для вставки с углом закрутки φг = 30о и 45о, а наилучший фак- тор аналогии Рейнольдса получен при φг = 25о. 3. В зависимости от угла закрутки потока в канале с закруткой наблюдаются режимы с преобладанием вихревого перемешивания или закрутки потока. 4. Показано, что интенсификаторы тепло- обмена, имеющие различную конструкцию, описываются единой кривой на диаграмме теплогидравлической эффективности, что обу- словлено общим механизмом интенсификации теплообмена (закрутка, отрыв, вихревое пере- мешивание). Работа выполнена при финансовой под- держке Фонда фундаментальных исследо- ваний Украины (проект Ф40/24-2011 между ИТТФ НАНУ и ИТФ СО РАН, г. Новосибирск). ЛИТЕРАТУРА 1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Изд. 3-е перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. − 488 с. 2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Ин- тенсификация теплообмена в каналах. М.: Ма- шиностроение, 1972. – 220 с. 3. Доник Т.В., Халатов А.А., Борисов И.И. Теплообмен при течении воздуха в круглой трубе с крестообразной вставкой // Восточно- Европейский журнал передовых технологий. – 2011. – 3/10(51). – С. 21 – 24. 4. Заявка на патент № И201111842 от 7.10.2011 г. «Пристрій для інтенсифікації теп- лообміну» 5. Халатов А.А. Теория и практика закру- ченных потоков. – К.: Наукова думка, 1989. – 198 с. 6. Халатов А.А., Онищенко В.Н., Доник Т.В., Окишев А.В. Фактор аналогии Рейнольдса для интенсификаторов теплообмена различ- ного типа // Известия РАН. Сер. Энергетика. – 2011. – № 4. – С. 109-116. Получено 01.09.2011 г.

Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубе с крестообразной вставкой и частичной закруткой потока

Репозитарії

Схожі ресурси