ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КАМЕРЫ ВИХРЕВОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ПРИ РАЗЛИЧНОМ ПОЛОЖЕНИИ В ПРОСТРАНСТВЕ Косырев В.М.,Попов А.С.,Аверьянов Д.Р.

Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева


Номер: 12-1
Год: 2016
Страницы: 112-118
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

вихревая камера, теплообменник, гидравлическое сопротивление, направляющая вставка, положение в пространстве, vortex chamber, heat exchanger, hydraulic resistance, guide insert, position in space

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Текст научной статьи

Использование вращения потока жидкости, вихревого движения позволяет интенсифицировать теплообмен [1,322], [2,24]. Выполненные работы касаются в основном гидродинамики и теплообмена к поверхности трубы или цилиндра. Однако интерес представляет и процессы вблизи плоской поверхности перпендикулярной оси цилиндра. Очевидно, что гидродинамика и теплообмен в этом случае существенно сложнее, так как течение жидкости, сопровождается изменением кривизны траектории потока и может обеспечить ряд преимуществ. В частности, возможно создание более компактного и интенсивного теплообменного аппарата, состоящего из ряда теплообменных модулей. Соединением требуемого количества модулей обеспечивается необходимая поверхность теплообмена вихревого тепло-обменного аппарата (ВТА). Конструкция опытного ВТА показана на рис 1. Рис.1. Конструкция опытного вихревого теплообменного аппарата (ВТА) 1 - верхняя вихревая камера; 2 - нижняя вихревая камера; 3 - поверхность теплообмена; 4 - направляющая вставка; 5 - прокладка А - вход теплоносителя 1; Б - выход теплоносителя 1; Е - вход теплоносителя 2; Г - выход теплоносителя 2; Опытный ВТА содержит две вихревые камер (ВК), диск между которыми, является поверхностью теплообмена 3. Внутренний диаметр обеих ВК равен D = 405 мм при ширине камер В = 28 мм. Поверхность теплообмена F = 0,13 м2. Аппарат выполнен из стали и имеет разборную конструкцию. Между крышками-дисками с центральными патрубками Б и E, зажаты: диск 3 толщиной 3 мм и два кольца с тангенциальным патрубками А и Г. Для герметизации камер ВТА установлены четыре прокладки из резины. Все элементы аппарата стянуты шпильками М8. ВК для теплоносителя 1 имеет тангенциальный вход А (d1=13 мм) и нижний выход в центре плоской крышки Б (d2=18 мм). ВК теплоносителя 2 также имеет два пат-рубка: центральный Е (d2=18 мм) и тангенциальный патрубок Г на пери-ферии (d1=13 мм). Подача теплоносителя 2 возможна по патрубку Г или Е. При подаче по патрубку Е в пределах диска создаются условия ближе к противотоку, при подаче по патрубку Г условия больше соответствует прямотоку. Патрубки Б и Е могут быть снабжены направляющими встав-ками 4 специальной конструкции для улучшения гидродинамики ВТА. При подаче теплоносителя по тангенциальному патрубку А жидкость совершает сложное движение по окружности и одновременно от периферии к центру к патрубку Б. Это движение сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потока. Скорость движения жидкости относительно поверх-ности теплообмена, а значит и интенсивность теплообмена, зависит от ско-рости ввода жидкости в ВК. Эту скорость в ВТА можно легко менять изме-няя размер d1. На первом этапе работы изучали влияние условий ввода-вывода жидкости на гидравлические условия в ВТА. Опыты проводили на стенде, который включал ВТА, бак с рубашкой, центробежный насос, на выходе которого установлен ротаметр РСС-2500 ЖУЗ, соединенный с входом теплообменника. Давление на входе ВТА изме-ряли образцовым манометром и оно соответствовало гидравлическому со-противлению ВТА (∆Р). Схема стенда обеспечивала циркуляцию жидкости (воды). Температуру воды замеряли ртутным термометром. ВТА крепили на поворотной раме. Конструкция рамы позволяла устанавливать ВТА под углом от 0 до 90О к горизонту. Были проведены серии опытов, в ходе которых расход воды меняли от 0,93 до 2,48 м3/ч . Температура воды составляла 18 - 22ОС. Каждый опыт во всех сериях повторяли трижды, результаты усредняли. Результаты опытов с ВТА, размещенным под углом 0О , приведены на рис.2. в логарифмических координатах. В ходе этих опытов изучали ∆Р вихревой камеры: линия 1- ВК с тангенциальным входом и центральным выходом без вставки; 2 - ВК с тангенциальным входом и вставкой на центральном выхо-де; 3 - ВК с центральным входом (без вставки) и тангенциальным выходом; 4 - ВК с центральным входом (со вставкой) и тангенциальным выходом; 5 - ВК двойной высоты (В = 56 мм) с тангенциальным смещённым входом и центральным выходом без вставки. Анализ графиков показывает, что ∆Р при вводе жидкости по тангенциальным патрубкам существенно выше, чем при вводе жидкости в в центре. Использование ВК увеличенной высоты со смещённым входом к росту ∆Р не приводит, напротив ∆Р несколько ниже. Использование на центральных патрубках направляющих вставок ведет к снижению ∆Р. Особенно это снижение велико при подаче воды по тангенциальным патрубкам. При центральной подаче снижение мало. Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления камеры ВТА ∆Р от расхода воды: Обозначения см. в тексте выше Влияние вставок на ∆Р при тангенциальной подаче поясняет таблица 1. Таблица 1 Влияние вставок на ∆Р ВТА Параметр Расход воды, Скорость во входном патрубке, 1,95 2,60 3,27 3,97 4,63 5,18 ∆Ро , кПа (ВК без вставки) 7,19 15,5 27,1 43,5 65,0 92,1 ∆Рв , кПа (ВК со вставкой) 4,77 8,70 15,5 24,6 35,8 49,5 Отношение ∆Ро / ∆Рв 1,51 1,78 1,75 1,77 1,82 1,86 Примечание: ВТА установлен горизонтально. Видно, что установка вставок дает, снижение ∆Р в 1,5-1,9 раз. Эффект этот возрастает с увеличением расхода воды. Как известно, ∆Р напрямую связано с расходами на подачу теплоносителя. Таким образом, направляю-щая вставка дает существенные энергетические преимущества. Гидравлическое сопротивление ∆Р при подаче воды через центральный патрубок существенно ниже, но это едва ли является положительным показателем, а скорее отражает низкие скорости вращения воды в ВК и слабое развитие вихревых процессов. Поэтому, теплоносители желательно подавать через тангенциальные патрубки. Последующие опыты проводили с тангенциальным входом в ВК. Для расчета гидравлического сопротивления (Па) горизонтально установленного ВТА получены формулы: для ВК без направляющей вставки: (1) для ВК с направляющей вставкой: (2) где - расход воды, Из формул (1) и (2) следует, что степень влияния расхода воды на при наличии вставки несколько меньше. Очевидно, это вызвано лучшим заполнением выходного патрубка жидкостью. Далее, выясняли влияние положения ВТА в пространстве на его ∆Р. Изучены пять углов установки ВТА: 0, 22,5О; 45О; 68О и 90О при тангенциальном входе в ВК. Результаты экспериментов для ВК без вставки приведены на рис. 3. Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления ВК от расхода воды (ВК без вставки) Разброс для всех углов установки ВТА не велик, то есть наклон простейшей ВК мало влияет на её ∆Р. Результаты экспериментов для ВТА со вставкой приведены на рис. 4. Линии размещены много ниже чем на рис. 3, а разброс для различных углов установки ВТА более существенный. То есть, наклон ВТА со вставкой заметно влияет на гидродинамику течения. Рассмотрим зависимость гидравлического сопротивления ∆Р от угла установки для ВК со вставкой (рис.5). Рис. 4. Зависимость гидравлического сопротивления ВК от расхода воды (ВК со вставкой) Ожидалось, что с ростом скорости воды на входе в ВК влияние угла расположения будет снижаться, из-за роста центробежных сил, однако, опыты показали обратное. Из рис.5 видно, что при максимальном расходе воды, угол установки ВТА существенно влияет на ∆Р. Причем, наименьшее ∆Р имеет ВК, расположенная под углом 45о. Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления ВК от угла к горизонту для ВК со вставкой Расход воды: 1 - 0,000259 м3/с; 2 - 0,000345 м3/с; 3 - 0,000434 м3/с; 4 - 0,000528 м3/с; 5 - 0,000614 м3/с; 6 - 0,000688 м3/с. Для более низких расходов область минимальных ∆Р сдвигается влево. Анализ рис. 3, рис.4 и рис.5 показывает, что гидродинамика ВК со вставкой сильнее зависит от угла её установки. Установка ВК под наклоном дает преимущества по величине ∆Р. По-видимому, это происходит в силу лучшей организации потока жидкости в вихревой камере. Первые опыты по теплопередаче подтвердили перспективность ВТА.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.