ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ВИХРЕВОМ ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ Косырев В.М.,Аверьянов Д.Р.,Мальков С.В.

Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е.Алексеева


Номер: 12-2
Год: 2017
Страницы: 18-23
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

вихревая камера, теплообменник, гидравлическое сопротивление, теплопередача, входное сопло, vortex chamber, heat exchanger, hydraulic resistance, heat transfer, Inlet nozzle

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Текст научной статьи

Наиболее используемыми в химической и смежных отраслях промышленности являются кожухотрубчатые теплообменные аппараты (ТА). Однако их эффективность не всегда высока. Пластинчатые ТА по эффективности превосходят кожухотрубчатые. Оба типа ТА достаточно сложны в изготовлении. Пластинчатые ТА, кроме того требуют весьма деликатного обращения. Необходимы простые и эффективные ТА. Использование в ТА вихревого движения жидкости позволяет интенсифицировать теплообмен [1]. Нами ведутся исследования вихревого теплообменного аппарата (ВТА) с поверхностью теплообмена, размещенной между двумя смежными вихревыми камерами (ВК). В работах [2,3] выполнено изучение гидравлического сопротивление и теплопередачи такого аппарата. Начатые исследования показали перспективность ВТА. Устройство неразборного ВТА простейшей конструкции показано на рис.1. Рис. 1. Вихревой теплообменный аппарат 1 - верхняя камера; 2- нижняя камера; 3, 4 - входные патрубки; 5,6 - выходные патрубки; 7 - диск теплообменный; т/н I - первый теплоноситель; т/н II - второй теплоноситель. Аппарат состоит из верхней 1 и нижней 2 камер, которые снабжены входными тангенциальными патрубками 4 и 3 соответственно. Камеры 1 и 2 разделены между собой диском 7, выполняющим роль поверхности теплообмена. Обе камеры прикреплены к диску сваркой. Камеры 1 и 2 в центре каждой снабжены выходными патрубками 6 и 5 и камеры. Устройство такого ВТА отличается максимальной простотой, однако, в силу небольшой поверхности теплообмена (0,03 - 3 м2) может применяться лишь при небольших тепловых потоках, на малых производствах. В таких условиях каждый м2 поверхности должен эффективно работать. Известно, что интенсивность теплоотдачи в ТА существенно зависит от скорости движения жидкости вдоль поверхности теплообмена. В кожухотрубчатых ТА повышение скорости достигают увеличением расхода теплоносителя либо увеличением числа его ходов. Оба способа усложняют ТА, увеличивают металлоемкость. В ВТА повышение скорости теплоносителя относительно поверхности теплообмена может быть получено проще: увеличением скорости теплоносителя во входном патрубке ВК при неизменном расходе теплоносителя. Жидкость вращается в ВК тем быстрее, чем больше скорость её ввода. Это, должно уменьшать толщину пристенного пограничного слоя и интенсифицировать теплообмен. Для увеличения скорости ввода можно использовать входные сопла снижающие проходные сечения патрубков, что, однако, требует проверки эффективности. Эксперименты по изучению гидравлического сопротивления ВТА проводили на стенде, состоящем из бака с насосом и ротаметрами. Опытный ВТА содержит две вихревые камеры (ВК). Внутренний диаметр обеих D = 405 мм при ширине В = 28 мм. Аппарат выполнен из стали, его поверхность теплообмена F = 0,129 м2. ВТА имеет разборную конструкцию. Здесь между крышками-дисками с центральными выходными патрубками d2, шпильками М8 стянуты: диск толщиной 3 мм и два кольца с тангенциальными входными патрубками d1. Для герметичности ВТА использованы прокладки из резины. Диаметры патрубков d1=13 мм; диаметры патрубков d2=18 мм. В патрубки устанавливали сопла диаметром =10 мм; 8 мм и 6 мм. Сопла крепили изнутри на винтах. В ходе опытов аппарат размещали горизонтально. Гидравлическое сопротивление камер ВТА измеряли образцовым манометром. Результаты экспериментов по нижней и верхней ВК ВТА без сопел и с соплами приведены на рис. 2, 3. Кривая для штуцера d1=13 мм (без сопла) на обоих графиках идет круче всех остальных. Интерес представляет тот факт, что при одинаковой скорости входа теплоносителя в ВК сопротивление ВТА с входным соплом даже меньше чем у ВТА без сопла. Объяснить это можно тем, что при равной скорости на входе расход теплоносителя много меньше у ВТА с соплом. Эксперименты по теплопередаче проводили на стенде (рис. 4). Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления ВТА от скорости в патрубке или сопле (нижняя камера). Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления ВТА от скорости в патрубке или сопле (верхняя камера) Рис. 4. Схема экспериментального стенда 1 - теплообменник; 2- термостат; 3-контроллер РМ1; 4 - центробежный насос; 5 - бак; 6 - ТЭН; В1- В4 - вентили; K1 - K3- краны; Т1 - Т5 - термометры- сопротивления; М1 - манометр; Р1, Р2 - ротаметры. Цель опытов - изучение теплопередачи в ВТА и оценка возможности интенсификации работы ВТА установкой входных сопел. Стенд содержит: ВТА 1(см. выше), термостат 2, контроллер 3 типа ОВЕН РМ1, соединенный с термометрами сопротивления Т1-Т5, насос 4, бак 5 с ТЭНом 6 (мощность 3,5 кВт). Температуру воды в баке 5 поддерживали на уровне 40 - 55ОС. Холодным теплоносителем служила вода из водопровода при температуре 10 - 15ОС. При выполнении экспериментов в обе камеры ставили сопла одного и того же размера. В ходе экспериментов расход горячего теплоносителя меняли от до , холодного - от до . Эффективность работы ВТА оценивали по коэффициенту теплопередачи К. Тепловой баланс ВТА имеет вид: (1) Где - тепло, отданное горячей водой; - тепло полученное холодной водой; - тепловые потери. Коэффициент К определяли из основного уравнении теплопередачи: (2) Где - количество переданного тепла, - средняя разность температур, которую определяли как среднее арифметическое движущих сил на входе и на выходе ВТА; - поверхность теплообмена. При подаче теплоносителя в ВТА по тангенциальному патрубку он совершает сложное движение по окружности и одновременно от периферии к центру к выходному патрубку. Это движение сопровождается вихреобразованием и турбулизацией потока. Ниже на рис. 5,6 для примера приведены результаты опытов по теплообмену в ВТА с входными соплами и без них при расходе горячего теплоносителя и . Рис. 5. Зависимость К от расхода холодного теплоносителя , при расходе горячего теплоносителя Рис. 6. Зависимость К от расхода и холодного теплоносителя , при расходе горячего теплоносителя . Из рис. 5,6 видно, что при установке входных сопел, наблюдается рост коэффициента теплопередачи К. Таким образом, подтверждено, что скорость движения жидкости относительно поверхности теплообмена в ВТА, а значит и интенсивность теплообмена, зависит от размера входного сопла. Достигнутый размер коэффициентов теплопередачи К = 700 - 1000 подтвердил возможность использования ВТА на практике.

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.