Теплоотдача цилиндра в закрученном потоке
КУРСОВАЯ РАБОТА
"Исследование теплоотдачи цилиндра в закрученном потоке"
Введение
Одним из перспективных и эффективных путей разрешения проблемы интенсификации процессов тепломассобмена в теплоэнергетических и теплоиспользующих установках и устройствах является применение закрученных высоко турбулентных потоков жидкостей и газов. Вращающиеся течения уже широко используются при организации сжигания топлива в вихревых горелках, циклонных топках и камерах сгорания, проведении процессов нагрева и термообработки в циклонно-вихревых нагревательных устройствах, сушки материалов в рециркуляционных сушилках и т.п.
Изучение гидродинамики и теплообмена в циклонно-вихрерых камерах представляет собой важную практическую задачу, так как позволяет получить необходимые данные для их расчета и проектирования. Интересна в этом плане задача исследования теплоотдачи круглого цилиндра, соосного с аэродинамической осью стабилизированного циклонного потока, с точки зрения дальнейшего изучения особенностей теплообмена в поле центробежных сил, а также разработки рекомендации по расчету конвективного теплообмене в вихревых МГД (магнитогидродинамических) генераторах, циклонных печах, при вихревом охлаждении элементов электрических машин, полупроводниковых выпрямителей и т.п.
Цель работы – привить студентам определенные навыки выполнения самостоятельных научных исследований в области конвективного теплообмена. Непосредственно выполнению работы предшествует изучение специальной научной и рекомендуемой учебной литературы, методики проведения опытов и обработки результатов исследования.
В работе осуществляется экспериментальное изучение теплоотдачи конвекцией от вертикального цилиндра к закрученному потоку воздуха в циклонной камере, обработка и анализ результатов наблюдений, составление уравнения подобия для расчета конвективного теплообмена, расчет статистических показателей, характеризующих отклонение опытных точек от рекомендуемой расчетной зависимости, оценка степени достоверности результатов и погрешностей измерений.
В заключительной стадии работы составляется пояснительная записка с внесением в нее всех опытных и расчетных материалов и оформлением графической части.
1. Теоретическое обоснование
Сложная аэродинамическая структура потока в циклонных камерах в значительной степени ограничивает возможности использования математических методов решения задачи конвективного теплообмена, поэтому основным направлением в изучении теплоотдачи конвекцией является эксперимент.
Особенность рассматриваемой задачи конвективного теплообмена в закрученном циклонном потоке заключается в том, что при движении среды возникают инерционные массовые (центростремительные) силы, которые практически полностью определяют условия теплоотдачи.
Анализ системы дифференциальных уравнений движения и теплообмена применительно к рассматриваемой задаче, а также использование рекомендаций работы В.К. Щукина показывают, что особенности теплоотдачи цилиндра в закрученном потоке определяются главным образом массовыми (центростремительными) силами, а задача определения коэффициентов теплоотдачи фактически сводится к установлению зависимости
, (1)
где - число Нуссельта ( – коэффициент теплоотдачи конвекцией от цилиндра к закрученному потоку; – внешний диаметр цилиндра; – коэффициент теплопроводности среды); – критерий, определяющий движение жидкости и теплоотдачу в закрученном потоке (jm – максимальное значение центростремительного ускорения j в системе; lm – характерный линейный размер, определяющий положение jm относительно поверхности теплоотдачи; ∆T – разность температур в точках потока, где инерционное ускорение достигает максимального и минимального значений; β, ν – коэффициенты объемного расширения и кинематической вязкости среды; – критерий Прандтля, – коэффициент температуропроводности).
В рассматриваемой задаче минимальное ускорение имеет место на поверхности теплоотдачи (цилиндра) и равно нулю. Физические константы в уравнении (1) определяются по средней температуре потока, практически равной температуре Е точке потока, где j=jm.
При сравнительно небольших температурных напорах ∆Т (в условиях, близких к изотермическим) сомножитель (1+Т) незначительно отличается от единицы, а при небольших изменениях ∆Т, даже если и отличается от единицы, то изменяется сравнительно мало. Поэтому изменение критерия Р полностью определяется безразмерным комплексом
. (2)
В рассматриваемой учебной работе исследование теплоотдачи выполняется в воздушном потоке в узком интервале его температуры и только при одном направлении теплового потока, поэтому из искомого уравнения подобия (1) может быть исключен критерий Прандтля и температурный фактор.
Условие подобия процессов конвективного теплообмена в поле центростремительных сил в изотермической и неизотермической системах предполагает существование равенства
.
Поэтому для того, чтобы критерий S в неизотермических условиях отражал влияние центростремительных сил на явление с учетом неизотермичности потока, он должен определяться в общем виде по формуле:
. (3)
Знак плюс (+) соответствует нагреву среды; знак минус (–) – охлаждению.
Таким образом, для описания процесса конвективного теплообмена в рассматриваемой задаче может быть использовано уравнение
. (4)
Анализ критерия S с использованием результатов исследований аэродинамики циклонных камер и созданной на их основе методики аэродинамического расчета позволил установить, что он может быть заменен на число Рейнольдса Reφm, рассчитанное по максимальной вращательной скорости в рабочем объеме циклонной камеры wφm. Эта связь определяется уравнением
(5)
Здесь ,
где νm – коэффициент кинематической вязкости среды в точке, где вращательная скорость равна максимальной; D=D(ηя, В) – безразмерный комплекс, зависящий от аэродинамических характеристик потока; – безразмерный радиус осесимметричного ядра потока (rЯ – радиус ядра потока; rЦ – радиус цилиндра; rφm – радиус, определяющий положение wφm); – безразмерный параметр.
Величины ηЯ, В зависят от основных геометрических параметров циклонной камеры и могут быть рассчитаны, либо определены по экспериментально найденному профилю вращательной скорости в объеме камеры. Значения D в зависимости от ηЯ, В приведены в табл. 1 [1].
Замена S на Reφm дает определенные преимущества в обработке опытных данных и использовании полученных уравнений подобия, так как в число Рейнольдса входит величина wφm, определяемая по методике аэродинамического расчета циклонных камер. Максимальная вращательная скорость циклонного потока для рассматриваемой задачи является фактически скоростью набегающего потока, которая обычно принимается в качестве характерной во внешних задачах конвективного теплообмена.
Таким образом, выполненный анализ показал, что обработка опытных данных по теплоотдаче цилиндра в закрученном потоке может производиться в виде корреляционной зависимости
, (6)
где A, m, n – постоянные коэффициенты, определяемые из опыта.
Заметим, что величина корректирующего коэффициента, учитывающего влияние неизотермичности при принятом методе обработки опытных данных, равна
, (7)
В условиях опытов величина kβ сохраняется примерно постоянной и равной 0,885 (влияние коэффициента на расчетные уравнения невелико и уменьшается с понижением показателя n).
В ряде случаев представляет интерес использовать в уравнении (6) не сам комплекс D, а заменяющие его более простые характеристики, определяемые методикой аэродинамического расчета циклонных камер. В частности хорошие результаты дает использование коэффициента крутки в ядре потока εЯ:
,
где WφЯ – линейная вращательная скорость на радиусе rЯ определяющем границу ядра потока.
2. Описание экспериментальной установки и методики измерений
Исследовательская часть работы выполняется на специальном экспериментальном стенде. Циклонно-вихревая камера (рис. I) представляет собой гладкостенную вертикальную металлическую модель внутренним диаметром DК =2RК= 310 мм.
Ввод воздуха в камеру осуществляется тангенциально расположенными к внутренней поверхности ее рабочего объема входными каналами (шлицами) 6 с двух диаметрально противоположных сторон. Ширина прямоугольных шлицев (сопел) lВХ и их высота hВХ могут варьироваться специальными вкладышами. При этом соответственно меняется и суммарная площадь входа потока , где – число входных каналов. Отвод газа из модели осуществляется через плоский торец с круглым осесимметричным выходным отверстием, безразмерный диаметр которого может меняться в диапазоне от 0,2 до 0,6.
Схематический чертеж цилиндра – калориметра приведен на рис. 3. Длина калориметра – 400 мм, толщина стенки рабочего участка – 2 мм. Наружный диаметр цилиндра-калориметра при проведении опытов может изменяться от 45 до 140 мм. Верхний торец рабочего участка калориметра теплоизолирован текстолитовым диском, нижний – охранным участком.
Принципиальная схема тепловых измерений приведена на рис. 4.
Как видно из рис. 4, греющий пар из электрокотла через электрические основной и выносной перегреватели по подводящей трубке поступает в рабочий участок калориметра. Для исключения возможности попадания в калориметр жидкой фазы на входе пара в рабочий участок поддерживается и непрерывно контролируется протарированной медь – константановой термопарой небольшой перегрев ()°С. Отсчет ЭДС термопары производится переносным потенциометром типа ПП-63. Для обеспечения стока конденсата нижняя часть парового пространства калориметра имеет небольшую конусность (рис. 3). Отвод излишнего пара и паровоздушной смеси осуществляется в охранный участок калориметра, а оттуда через отводящий штуцер в дренажную систему.
При этом исключаются потери тепла не только от нижнего торца рабочего участка, но и на линии отвода конденсата. Сбор конденсата с рабочего участка производится через гидравлический затвор, обеспечивающий создание определенного (400600 мм. вод. ст.) давления в рабочем участке калориметра. Поддержание требуемых величин избыточного давления и перегрева в стационарном режиме осуществляется регулировочным краником, а при изменении нагрузки камеры (ReВХ) также и за счет регулирования реостатами электрической мощности нагревательных элементов котла и выносного пароперегревателя.
Страницы: 1, 2
