Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в аппаратах с турбулизаторами потока: теория, эксперимент, методы расчета

            НАУЧНАЯ МЫСЛЬ



СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ




Ю.В. СВЕТЛОВ



ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В АППАРАТАХ С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ ПОТОКА

ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ, МЕТОДЫ РАСЧЕТА


МОНОГРАФИЯ







znanium.com

электронно-библиотечная система


Москва
ИНФРА-М


2024

УДК [536.24+532.5+66.045.1](075.4)
ББК 31.16
     С24

    Рецензенты:                                                          
    Рудобашта С.П., доктор технических наук, профессор, заведующий       
    кафедрой теплотехники Московского государственного агроинже-         
    нерного университета имени В.П. Горячкина, заслуженный деятель       
    науки и техники РФ                                                   
    Светлов Ю.В.                                                         
С24 Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в ап-          
    паратах с турбулизаторами потока: теория, эксперимент, методы рас-   
    чета : монография / Ю.В. Светлов. --- Москва : ИНФРА-М, 2024. ---    
    304 с. --- (Научная мысль).                                          
    ISBN 978-5-16-010607-6 (print)                                       
    ISBN 978-5-16-102625-0 (online)                                      
    Рассмотрены научные основы, методы исследования и расчетного ана-    
    лиза в целях создания высокоэффективных теплообменных аппаратов.     
    Представлена физическая модель гидродинамической структуры потока    
    в каналах с турбулизаторами сложной формы применительно к аппара-    
    там и устройствам энерготехнологических установок как средство изуче    ния закономерностей процессов гидродинамики и теплообмена. Получены  
    обобщенные зависимости для расчета профилей скорости и сопротивления 
    на основе использования новых величин. Изложена концепция существен- 
    ной зависимости тепловой эффективности многоканального теплообмен-   
    ного аппарата от неравномерности распределения потоков по каналам ап    парата.                                                              
    Разработаны научные основы учета тепловых потерь от аппаратов        
    и энерготехнологических установок. Предложен комплекс методов расчета
    теплообменников повышенной эффективности с учетом фактора неодно-    
    родности, а также расчет общей тепловой эффективности многосекционно    го теплообменного аппарата с учетом исследованных вторичных факторов.
    Для научных, инженерно-технических работников, аспирантов и сту-     
    дентов вузов теплофизических и энерготехнологичеких специальностей   
    различных отраслей промышленности.                                   

УДК [536.24+532.5+66.045.1](075.4)
ББК 31.16

ISBN 978-5-16-010607-6 (print)
ISBN 978-5-16-102625-0 (online)

© Светлов Ю.В., 2015

СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие .......................................................5
Основные условные обозначения .....................................6
Введение ..........................................................Ю

Глава 1. Формирование гидродинамической структуры потока в условиях воздействия турбулизаторов.................................13
        1.1. Основные закономерности и физическая картина течения однородного потока в каналах с турбулизаторами.............13
        1.2. Течение однородного потока в межтрубном пространстве теплообменника и факторы, влияющие на тепловую эффективность аппарата.....................................31
       1.3. Энергетический баланс потока ..........................44


Глава 2. Теоретические основы течения турбулизованного потока в каналах сложной формы.......................................................53
        2.1. Условия формирования и характерные особенности полей давления в каналах с турбулизаторами ........................53
        2.2. Физическая модель течения однородного потока в каналах с пристенными турбулизаторами................................64
        2.3. Фактор турбулизации потока и формфактор канала ........72
        2.4. Развитие профиля скорости. Константы турбулентности....................................88


Глава 3. Гидродинамика однородного потока в каналах с пристенными турбулизаторами. Формфакторы насадочных поликанальных поверхностей...............................................101
        3.1. Единый гидродинамический закон сопротивления для труб и каналов с турбулизаторами ................................101
        3.2. Гидравлическое сопротивление насыпной насадки с встроенной теплообменной поверхностью............................... 109
       3.3. Гидродинамика насадки регулярного типа................117

Глава 4. Результаты экспериментального исследования гидродинамики в каналах при воздействии турбулизаторов..........................127
       4.1. Техника эксперимента .................................127
       4.2. Кольцевые каналы с турбулизаторами прямоугольной формы ..135
       4.3. Каналы с турбулизаторами волнистой формы .............141
       4.4. Кольцевые каналы с поперечными сварными швами ........158
       4.5. Каналы с продольно-волнистыми проставками ............161
        4.6. Гидравлическое сопротивление каналов натурных образцов охлаждаемых электрических кабелей.........................162

Глава 5. Теплообмен и гидродинамика в каналах дисковых насадок регенераторов ....................................................166
       5.1. Обобщение результатов исследований по тепообмену......166


3

        5.2. Исследование гидродинамики перспективных типов насадок в натурных условиях.......................................178

Глава 6. Экспериментальное исследование и метод расчета поликанальных высокоэффективных теплообменных аппаратов с учетом неоднородности скоростных и температурных полей ..................185
        6.1. Экспериментальное изучение эффекта неравномерности межканального распределения потока........................185
        6.2. Расчетно-теоретический анализ влияния эффекта неравномерности. Расчет температурного поля аппарата.......201
        6.3. Метод расчета многоканального высокоэффективного теплообменника с неравномерным распределением потоков . . .212
        6.4. Конструкция витого кожухотрубного теплообменника с межканальным перемешиванием потоков.....................222

Глава 7. Тепловой режим труб кожухотрубных теплообменников и каналов энергетических устройств при наличии продольного оребрения . . .224 7.1. Разность температур в ребрах прямоугольного и трапецеидального сечений .........................................227
       7.2. Распределение температур по кольцу канала охлаждения .233
       7.3. Распределение тепловой нагрузки в локальной ячейке
           аппарата...............................................240
        7.4. Тепловые процессы в тонколистовых материалах при воздействии на них пучком интенсивного теплового излучения .................................................246
        7.5. Влияние однородности температурного поля на процесс спекания порошкового материала.............................252

Глава 8. Влияние тепловых потерь (теплопритоков) на тепловую эффективность теплообменного аппарата......................256
        8.1. Расчет конечных температур в противоточном теплообменном аппарате с учетом тепловых потерь............256
        8.2. Влияние естественной конвекции в изолированном пространстве на уровень тепловых потерь ...................267
        8.3. Метод определения тепловых потерь через теплоизоляционную систему..................................275
        8.4. Расчет общей тепловой эффективности многосекционного теплообменного аппарата с противоточным движением теплоносителей и учетом вторичных факторов.................284

Список литературы.................................................292


4

ПРЕДИСЛОВИЕ




  Проблема интенсификации энерготехнологических процессов в настоящее время является по-прежнему актуальной, так как она тесно связана с проблемой энергосбережения и техногенного влияния производственной деятельности человеческого сообщества на окружающую среду. В связи с этим сохраняется необходимость повышения уровня технической грамотности наших инженерных кадров, и даже в ряде случаев изменения отношения специалистов к вопросам потребления энергии, к энергоресурсам в целом. В вузах с этой целью открываются новые специальности по энергосбережению и экологии. Однако в связи с известными экономическими трудностями переходного периода в нашей стране, ощущается острая нехватка специальной литературы. Остаются невостребованными многие важнейшие результаты исследований, полученные в период 1970—1990 гг. В связи с отсутствием полноценной аспирантуры по техническим специальностям стала невозможной передача накопленных знаний учеными старшего поколения. Появилась опасность полной утери накопленной информации, а следовательно — значительного отставания нашей страны во многих областях науки, техники и технологиях.
  В этих условиях профессиональным долгом ученого является выпуск в свет в той или иной форме имеющихся у него результатов с тем, чтобы в дальнейшем — при возрождении отечественной науки, не пришлось бы все повторять заново. В предлагаемой книге излагаются результаты, основанные на экспериментальных исследованиях, проводимых автором с сотрудниками в период работы в НПО «Криогенмаш», когда коллективом института разрабатывались интереснейшие проекты, создавались важнейшие системы, установки, изделия на самом передовом научно-техническом уровне. Только благодаря мощной технической базе НПО и энтузиазму сотрудников стало возможным изготовление, например, опытных крупногабаритных теплообменных аппаратов специальной конструкции для изучения эффекта неоднородности температурных и скоростных полей в аппарате и других вопросов. Повторить такого рода исследование уже невозможно. Конечно, многие вопросы остались нерешенными, некоторые теоретические аспекты могут быть дискуссионными. Хотелось бы, чтобы полученные результаты получили дальнейшее развитие.
  В настоящей работе автор стремился обобщить на основе собственных многолетних исследований результаты широкого круга аналогичных работ по формированию структуры турбулентного течения потоков турбулизаторами разного рода с целью интенсификации гидродинамических и теплообменных процессов, а также показать, в определенной мере, новый подход к их анализу и методологии расчетов.
  Автор выражает сердечную благодарность выдающимся российским ученым — А.А. Гухману и А.Н. Шерстюку за большое внимание, ценные замечания и обсуждение результатов в период разработки основных теоретических положений, изложенных в настоящей книге, а также своему сыну — О.К). Светлову, за помощь в подготовке к изданию этой книги. Можно сказать без преувеличения, что без его помощи эта книга просто не смогла бы увидеть свет.
  Автор с благодарностью примет все замечания и пожелания, которые можно присылать по адресу издательства.
Автор

5

ВВЕДЕНИЕ

  Развитие химической технологии так же, как и ряда других важнейших отраслей промышленности, в последние десятилетия характеризуется ростом энергонапряженности установок и систем. Поэтому все острее становится вопрос экономного использования топливно-энергетических ресурсов. В этой связи особую актуальность приобретает проблема интенсификации технологических процессов, имеющая своей конечной целью сокращение потребляемой энергии на единицу продукции, уменьшение массы и габаритных размеров тепломассообменных аппаратов и устройств на основе оптимизации протекающих в них рабочих процессов и их конструкций.
  На современном этапе развития научно-технического прогресса уже недостаточно решать указанную задачу повышения энергонапряженности тепломассообменного оборудования лишь путем увеличения теплопередающей поверхности. Исследования показывают, что тепловая эффективность аппаратов может быть значительно повышена за счет факторов, которые существующие методики либо учитывают недостаточно полно, например, оптимизация геометрических параметров, либо практически совсем не учитывают (будем называть их вторичными факторами) — неоднородность скоростных и температурных полей по сечению аппаратов, возникающая в результате неравномерности распределения потока по каналам, существенная разница в тепловом режиме работы оребренных труб, образующих трубный пучок теплообменника, тепловые потери, переменность свойств теплоносителей и некоторые другие. Однако решение этой весьма сложной задачи возможно лишь на основе определенного физического подхода, т.е. рассматривая аппарат как множественную поликанальную систему с учетом всех характерных явлений, происходящих в ней, а также специфики гидродинамической картины течения потока в каждом канале, какой бы сложной формы он ни был.
  Определенно можно сказать, что без оптимизации геометрии, без учета таких факторов, как неравномерность распределения потоков по каналам и тепловые потери, практически не

6

возможно создать теплообменные аппараты с температурными напорами 0,1—2 К и коэффициентом теплоиспользования 0,96-0,98.
  Несмотря на то что в настоящее время накоплен большой объем знаний в области теплообменных устройств [1], современный научно-технический уровень настоятельно диктует создание высокоэффективных аппаратов, установок и систем, необходимых для всех важнейших отраслей промышленности с целью создания или усовершенствования, в частности, крупных воздухоразделительных установок и спецсистем криогенной техники, высокопроизводительных турбохолодильных установок, теплоэнергетических систем и др. Например, в текстильной промышленности, которая является одной из наиболее материалоэнергоемких отраслей, сушильное оборудование на предприятиях занимает до 30% производственных площадей, потребляет до 40% всей расходуемой тепловой и до 30% электрической энергии. Имея габаритные размеры в десятки метров, общую площадь теплоотдающей поверхности от сотен до 1000— 1500 м², рабочую температуру процесса до 170—230 °C [2], потери теплоты лишь одним агрегатом составляет примерно 100 кВт. Таким образом, 15—18% энергии теряется совершенно неоправданно, ухудшая при этом экологическую обстановку в производственном помещении. В качестве изоляционных ограждений обычно используют металлические щиты, заполненные стекловолокном или асбодревесными плитами.
  Для резкого сокращения потерь теплоты необходимо использовать принципиально иную теплоизоляционную систему, например, на основе мелкодисперсного перлитного песка. Применение такой изоляции в воздухоразделительных установках позволило получить удельные теплопотери 40 Вт/м², т.е. это в 2—3 раза уменьшит потери теплоты в сушилках. Однако для проектирования такого рода систем необходимо знать закономерности теплопередачи в дисперсных средах, уметь оценивать и учитывать конвективные потоки в них, а также иметь методику расчета тепловых потерь, влиящих на общую энергетическую эффективность анализируемой установки или системы.
  В последние годы большое внимание уделяется изучению теплообмена, структуры потока и основных гидродинамических за

7

кономерностей при вынужденном движении газов и жидкостей с параметрами, близкими к критическим. Интерес к сверхкритической области обусловлен созданием ряда изделий как высокотемпературной, так и криогенной техники, например, ядерных реакторов, котельных установок, ракетных двигателей, сверхпроводящих систем, линий электропередачи и др. Использование рабочих веществ при параметрах, близких к критическим, приводит к необходимости учета специфических особенностей, в частности, переменности физических свойств [137, 138, 142, 150]. При этом процессы теплообмена организуются в каналах с разнообразными геометрическими параметрами, а тепловые нагрузки могут изменяться по периметру и длине канала. Изучение теплообмена и гидродинамики ведется преимущественно экспериментальным путем. Теоретический анализ крайне сложен не только в связи с математическими трудностями, но прежде всего из-за неясности механизма переноса количества движения и теплоты в указанных условиях. Особенно остро стоит вопрос для начальных участков охлаждаемых кабелей, на которых наблюдается неустойчивая структура потока и происходит формирование стабилизированных полей температуры и скорости.
  В настоящее время во многих публикациях указывается на недостаточное использование современных методов интенсификации тепломассообменных процессов в химико-технологическом оборудовании различного назначения, что приводит не только к экономическим потерям, но и тормозит совершенствование выпускаемых образцов новой техники. Ярким примером результативности интенсификации теплообмена в каналах является использование метода дискретной турбулизации потока при вынужденной конвекции, зафиксированного в качестве открытия [3], а также метода искусственно создаваемых в потоке неоднородных полей давления, разработанного российскими учеными А.А. Гухманом, В.А. Кирпиковым и их последователями [9, 37]. Исследования показали, что путем рационального выбора геометрии каналов возможно обеспечить преимущественное увеличение интенсивности теплообмена перед гидравлическим сопротивлением, что позволяет в 1,5—2 раза уменьшить объем и массу теплообменного аппарата при неизменных мощности и гидравлическом сопротивлении.

8

  Очевидно, этот принцип справедлив для каналов самого различного вида с внутренними турбулизаторами, несмотря на многообразие их форм и размеров. Определенные успехи в проблеме интенсификации достигнуты, в том числе с использованием результатов, полученных автором [4—7]. Вместе с тем, поиск оптимальных соотношений геометрических характеристик, разработка новых форм каналов и создание на этой основе высокоэффективного оборудования, являются актуальными научными и хозяйственно-экономическими проблемами, решение которых приведет к экономии энергоресурсов в машиностроении, химической промышленности и других областях техники. По сути дела, речь идет о создании строго дозированных и направленных локальных вихревых эффектов в потоке, которые реализуются через особенности геометрии турбулизаторов, т.е. о создании необходимой структуры потока, управлении течением.

9

      ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


        А — коэффициент турбулентного перемешивания; численный коэффициент
       х — первая константа турбулентности
        Р — вторая константа турбулентности; коэффициент объемного расширения; угол рифления лент дисковой насадки
        8 — толщина пограничного слоя; толщина ленты дисковой насадки
       8г — толщина слоя потока
       g — ускорение свободного падения
      р, ц — плотность, коэффициент динамической вязкости
v — коэффициент кинематической вязкости — коэффициент турбулентной вязкости;
            функция тока жидкости
     т, т₀ — касательное напряжение в потоке, на стенке т — время
       Д — диссипативная функция
       Фт — фактор турбулизации
       0ₛ — формфактор
(Ухх, ауу, — растягивающие напряжения в направлении осей
            X, у, Z с °xz’ — касательные напряжения в плоскости, перпендикулярной осям х, у, z
   U, V, W — составляющие скорости по осям
       С7О — средняя скорость на оси потока
        4 ~ характеристические величины: скорость, длина; z/q, ыср, и — линейные скорости по координате у: начальная, средняя, текущая
w, W— осредненные скорости: линейная, массовая №ф, Иф — линейная и массовая скорости фильтрации и', v, w, р' — пульсационные компоненты скорости по осям и давления
       qₙ — результирующая пульсационных скоростей
       Р — давление; Рп, Рст, Рдин — полное, статическое,


10