IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Закрученные потоки теплоносителей, создаваемые в циклонных устройствах, широко используются в промышленности. Они позволяют существенно интенсифицировать процессы тепломассообмена. В работе приводятся и анализируются результаты экспериментального исследования конвективного теплообмена на боковой поверхности рабочего объема относительно длинной циклонной камеры. Рассмотрены особенности влияния ее геометрических характеристик на интенсивность теплообмена.

Исследование выполнено на экспериментальном стенде (рис. 1), основным элементом которого являлась секционированная циклонная камера с разносторонним вводом и выводом газов, диаметром рабочего объема D_к = 160 мм и длиной L_к = 2040 мм. Относительная длина камеры = 12,75. Подвод воздуха в закручиватель камеры осуществляли тангенциально с диаметрально противоположных сторон двумя входными каналами (шлицами), имеющими размеры поперечного сечения 24×84 мм. Оси шлицев находились на расстоянии 0,5D_к от глухого торца закручивателя. Безразмерную площадь поперечного сечения входных каналов изменяли специально спрофилированными вкладышами. Диаметр выходного отверстия составлял = 1.

Воздух в камеру подавали воздуходувкой. Исследование теплоотдачи производили метолом парового калориметрирования [1] – конденсации слегка перегретого водяного пара, подаваемого в калориметр. Внутренний диаметр калориметра равен диаметру рабочего объема циклонной камеры. Длина рабочего участка калориметра составляла 80 мм. Секционированная конструкция циклонной камеры позволяла менять расположение калориметра по ее длине. Продольную координату , определяющую местоположение среднего сечения калориметра, отсчитывали от глухого торца закручивателя вдоль оси рабочего объема камеры, поэтому при z = L_к, и совпадали.

Рис. 1. Схема экспериментального стенда:

1 – циклонная камера; 2 – закручиватель; 3 – входные каналы (шлицы); 4 – микроманометры; 5 – термометры; 6 – сужающее устройство; 7 – U-образные манометры; 8 – воздуходувка; 9 – приводной двигатель; 10 – пароперегреватель; 11 – манометр; 12 – паровой электрокотел; 13 – вентиль; 14 – сосуд с тающим льдом; 15 – потенциометр; 16 – термопара; 17 – калориметр; 18 – гидрозатвор; 19 – сосуд для сбора конденсата.

Температуру рабочей поверхности калориметра принимали равной температуре насыщенного пара. Общее количество теплоты, проходящее через боковую поверхность рабочей секции калориметра, определяли по массе конденсата, собранного в специальный сосуд, весовым способом. Поддержание требуемых значений избыточного давления и перегрева при изменении расхода воздуха осуществляли регулированием нагревательных элементов котла и пароперегревателя.

Опыты проведены при = 1,75; 6,25; 9,25; 12,25 и = 0,02; 0,04; 0,08; 0,12; 0,21. Во всех вариантах сочетаний и опыты выполняли при 5–6 значениях входного числа Рейнольдса Re_вх = υ_вхD_к/ν_вх, где υ_вх – скорость потока на входе в камеру (в шлицах), ν_вх – кинематический коэффициент вязкости потока в шлицах.

Полученные в работе опытные данные по теплоотдаче на боковой поверхности рабочего объема относительно длинной циклонной камеры приведены на рис. 2.

Рис. 2. Опытные данные по теплоотдаче на боковой поверхности циклонной камеры:

= 0,02 – ◊; 0,04 – □; 0,08 – ○; 0,12 – Δ; 0,21 – ×.

Обобщение полученных опытных данных производили в форме уравнения подобия:

(1)

где Nu = αD_к/λ_вх – местное число Нуссельта; α – местный коэффициент теплоотдачи; λ_вх – коэффициент теплопроводности воздуха; – комплекс, учитывающий влияние геометрических характеристик камеры; – комплекс, учитывающий изменение числа Nu вдоль длины рабочего объема камеры; A – коэффициент пропорциональности; n, m, k – показатели степени.

Ранее выполненными исследованиями установлено, что интенсивность теплоотдачи главным образом зависит от условий ввода потока в камеру [2]:

(2)

Интенсивность теплоотдачи на боковой поверхности рабочего объема камеры уменьшается по ее длине в направлении выходного отверстия (с увеличением продольной координаты ). Показатель степени k сомножителя ε_z имеет вид:

(3)

Графически зависимость (3) представлена на рис. 3.

Рис. 3. Влияние условий ввода потока на интенсивность теплоотдачи

циклонной камеры по ее длине

Показатель n при рассмотренных в работе значениях изменяется в пределах от 0,7 до 0,8. Среднее значение n = 0,75. Отклонение опытных данных от зависимости (3) не превышает 3 %. Полученные формулы справедливы для диапазона 0,4·10⁵ ≤ Re_вх ≤ 6,3·10⁵_.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Сабуров Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообменом / Э.Н. Сабуров. – Архангельск: Сев.-Зап. кн. изд-во, 1995. – 341 с.

2. Конвективный теплообмен на боковой поверхности рабочего объема относительно длинной циклонной камеры / Э.Н. Сабуров, А.Н. Орехов, Д.А. Онохин // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ). – 2016. – № 4. – С. 573–582.

Код для цитирования: Скопировать