Исследование теплообмена импактной струи с использованием экрана

УДК 532.525.6


ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ИМПАКТНОЙ СТРУИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКРАНА]

Канд, техн, наук, доц. ФЕДОРОВСКИЙ К. Ю.
Севастопольский приборостроительный институт


    Проблема совершенствования систем охлаждения энергетических установок потребовала разработки устройств теплоотвода через обшивку корпуса судна. С внутренней стороны корпус представляет собой набор перпендикулярно расположенных силовых элементов, разделяющих всю поверхность на прямоугольные участки. Для охлаждения целесообразно обеспечить подачу горячей воды системы к данным участкам обшивки, соприкасающейся с холодной забортной водой.
    Конструктивно наиболее просто и удобно организовать струйный подвод жидкости к поверхности теплообмена в судовых водозаполненных цистернах. Были выполнены визуальные исследования в прозрачной водозаполненной емкости размерами 0,25X0,25 X Х0,25 м. Для визуализации течений в воду добавлялись тушь, серебрин и поверхностноактивное вещество. Вода подавалась в центр квадратной поверхности через перпендикулярно установленное сопло диаметром 12 мм. При этом боковые стенки моделировали влияние набора силовых элементов корпуса судна. Выявлено, что при выходе воды из сопла происходит ее взаимодействие и интенсивное перемешивание с водой окружающего пространства.
    В районе сопла наблюдается явление подсоса. В результате снижается скорость движения требующей охлаждения воды, уменьшается температурный напор в устройстве теплоотвода. Это негативно сказывается на процессе теплопередачи.
    Повысить эффективность процесса позволяет установка параллельно обшивке корпуса экрана, присоединенного к подводящему патрубку и частично перекрывающего поверхность теплообмена. По данным, приведенным в [1], при hfd 0,6 (где d — диаметр подводящего патрубка; h—расстояние от экрана до поверхности) экран дает возможность в два и более раз снизить гидравлическое сопротивление по сравнению с сопловым подводом. Причем при использовании экрана минимальные сопротивления обеспечиваются в области hid — 0,1—0,25. Выполненные автором проверочные опыты подтвердили данные [1].
    Наблюдения за движением жидкости вдоль поверхности теплообмена при применении экрана выполнялись на описанной выше прозрачной модели. В результате выявлено отсутствие подсоса жидкости из окружающего пространства. Установлено, что ламинарное движение преобладает при числах Рейнольдса

vh Кел = ᵥ »

а турбулентное — при Re/i 10⁴,


114

где v — скорость жидкости в зазоре между экраном и поверхностью.
    Помимо этого, в центральной части, вследствие удара и разворота струи, образуются подвижные кольцевые структуры. Относительные размеры и глубина их проникновения по ходу жидкости возрастают по мере уменьшения Ren.
    Теплотехнические исследования проводились на установке, представляющей собой заполненную водой закрытую емкость размерами 0,5x0,5x0,5 м. Во внутрь емкости через патрубок, к которому присоединялись сопло или экран, подводилась горячая вода. Ось патрубка перпендикулярна и направлена в центр плоской теплообменной поверхности квадратной формы размерами 0,5X0,5 м. К патрубку присоединялись экраны круглой и квадратной формы, частично перекрывающие поверхность теплообмена и параллельные ей. Величина расстояния между экранами и поверхностью менялась в пределах от 3,1 до 64 мм. Вода из емкости уходила через специальное отверстие в тыльной стенке. Теплообменная поверхность охлаждалась с наружной стороны холодной водой. Экспериментальная установка позволяла прокачивать до 11 м³/ч горячей воды и подогревать ее до температуры 80—85 °C. Температура горячей воды измерялась на входе подводящего патрубка и на выходе из установки.
    Температура теплообменной поверхности со стороны горячей воды измерялась шестью зачеканенными хромель-копелевыми термопарами с диаметром термоэлектродов 0,15 мм, термоЭДС — потенциометром.
    В результате проведенных исследований установлено, что в сопоставимых условиях установка экрана позволяет на 25—30 % увеличить значение среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи по сравнению с сопловым подводом. Это подтверждает высказанные предпосылки необходимости исключения взаимодействия струи с окружающей водой. На рис. 1 показан характер изменения температуры поверхности теплообмена. Видно, что увеличение размеров экрана способствует выравниванию температур на площади перекрытия. В области окончания экрана наблюдаются заметные колебания температуры, что объясняется изменяющимися условиями движения жидкости.
    Предварительные экспериментальные данные (рис. 2а) не вскрыли влияния на теплообмен квадратной или круглой форм экрана. Из анализа рис. 2а и б видно, что аппрок
Рис. 1. Зависимость температуры стенки от радиальной координаты R при температуре воды на входе t = 58—61 °C и h = 5 мм:
/(□)—г = 0,125 м; Кел = 2000; 2(О)— 0.125: 10⁴; 3
( ■ ) -0,2; 2000: 4 (•) -0,2;
1Г

Рис.

2. Зависимость ig

------------------- от lg Re/Z: Рг°’⁴ (Рг/Ргс)⁰’²⁵

а — h = 12 мм; 6 — 45; О

и □ — соответственно экраны круглой и квадратной формы; г = 0,125 м

115

симирующие линии имеют изломы, которые соответствуют критическим числам Рейнольдса, равным 2 000 и 10⁴. Это совпадает с результатами визуальных наблюдений. Для каждой из трех областей проведены теплотехнические исследования с использованием методов планирования эксперимента. В результате получены следующие уравнения регрессии:

Nu =3,4Ке“л

(1)

при Refₜ = 630—2 000;

при Re/г — 10⁴—2,5 • 10⁴,

(2)

(3)

где Nu — число Нуссельта;
    Рг — число Прандтля;
    г и Rсоответственно радиусы вписанной окружности экрана и поверхности теплообмена.
    Зависимости (1) — (3) справедливы при h/r = 0,025—0,32; r]R — 0,5--0,8; Рг = - 2,52—5,9; Pr/Prc =0,66—0,99 и /гД/ = 0,082—1,68.
    Полученные результаты были сопоставлены с [2], где исследовался теплообмен газового потока в плоском дисковом канале с плавным входом. В области чисел Re/₍ — = 2 000—10 000 значения коэффициентов теплоотдачи в пашем случае примерно па 10 % меньше по сравнению с указанной работой. При Re* Д> 10⁴ разница начинает резко увеличиваться, поскольку все результаты [2] аппроксимируются в логарифмических координатах прямой линией, соответствующей зависимости

    Факт изменения показателя степени при числе Re/ₜ при переходе в турбулентную область хорошо согласуется с данными [3, 4], где соответствующие показатели степени равны 0,44—0,5.
    Полученные результаты подтвердили возможность использования для расчета гидравлического сопротивления рассматриваемого устройства рекомендаций, изложенных в [I].
    Таким образом, установлены зависимости, описывающие теплообмен в устройствах струйного подвода с применением экрана, частично перекрывающего поверхность теплообмена. При этом для обеспечения минимального гидравлического сопротивления рекомендуется выполнять условие hid — 0,1—0,25. Использование экрана позволяет на 25— 30 % улучшить теплоотвод по сравнению со случаем соплового подвода.



ЛИТЕРАТУРА


    1.    Идель чик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.— М.: Машиностроение, 1975.—559 с.
    2.    К г е i t h F., Doughman E., Kozlowski H. Mass and Heat transfer from an enclosed rotating disk with and without source flow //Trans. ASME., Heat Transfer.— 1963.—N 5,—P. 153—162.
    3.    Мотидзуки С., Хи pa ока Д. Характеристики теплообмена в направленном наружу радиальном течении между двумя параллельными дисками//Нихом кикай гаккай робунсю (Япония).—1986.— Т. 52.— № 478.— С. 2425—2430.
    4.    Григорьев В. С., ПоляковА. Ф. Экспериментальное исследование местной теплопередачи в дисковом канале при переменной вдоль радиуса тепловой нагрузке// Энергетика... (Изв. высш. учеб, заведений).—1975.— № 10.— С. 92—98.


Представлена кафедрой ЭЭУ

Поступила 20.03.199 0
После доработки 17.07.1990



116