Исследование устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой

В числе задач, с которыми сталкивается современная теплофизика, существует проблема расчета и эффективного использования естественной конвекции, которая возникает в аппаратах, где присутствуют пространства, заполненные жидкой или газообразной средой с выраженной температурной неравномерностью. Естественная конвекция и естественная циркуляция возникает в неоднородном поле массовых сил. Особенно большое значение проблема естественной конвекции приобретает для современной техники, в частности, для атомной энергетики. Появились многочисленные приложения теории естественной конвекции в энергетике, химической технологии.

В настоявшее время при конструировании теплообменных аппаратов важным фактором является экономия электроэнергии и надежность работы. Этим факторам, несомненно, отвечают теплообменники, в • которых используется механизм естественной конвекции или иначе, естественной циркуляции теплоносителя, например, системы пассивного расхолаживания ядерных реакторов и пр. Применение теплообменных систем, работающих на естественной циркуляции очень разнообразно. Необходимо отметить, что они в ряде случаев используются в машинах и агрегатах, которые могут менять свое пространственное положение. При этом возникает проблема устойчивости циркуляции и проблема методики ее определения и расчета.

В литературе практически не приводится сведений по определению устойчивости естественной циркуляции, за исключением рассмотрения устойчивости движения теплоносителя в паровых котлах и т. п. Отсутствие данных для расчета устойчивости естественной циркуляции требует экспериментального и теоретического изучения.

Все вышеизложенное характеризует актуальность задачи «исследования естественно-конвективного и естественно-циркуляционного движения в теплообменных аппаратах. В частности, важна задача исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, так как данные теплообменники могут использоваться на установках и агрегатах, меняющих свое пространственное положение. Существенным является вопрос о влиянии таких изменений на устойчивость течения в данных теплообменниках: при изменении пространственного положения возможна ситуация смены направления движения на противоположное, т. е. опрокидывания циркуляции.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование явления опрокидывания циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой в зоне ламинарного течения.

В первой главе приводится обзор литературы, в котором отражено состояние исследований естественной циркуляции и естественной конвекции. Приведены примеры исследования естественной циркуляции и методы определения ее параметров.

Во второй главе приводится описания опытной установки, для исследования устойчивости естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой, методики проведения экспериментов и обработки полученных результатов.

В третьей главе приведены результаты экспериментов по определению угла опрокидывания циркуляции в зависимости от геометрических параметров установки и тепловой нагрузки. На основе визуализации процесса опрокидывания дано качественное описание динамики развития неустойчивости и последующего опрокидывания естественной циркуляции.

В четвертой главе приводятся физическая и математическая модели, на основании которых получены формулы для расчета угла опрокидывания, дано сопоставление экспериментальных данных с > полученными по формулам.

Научная новизна выполненного исследования заключается в следующем:

— проведены экспериментальные исследования по определению динамики развития процесса опрокидывания естественной циркуляции теплоносителя при изменении пространственного положения теплообменника.

— выявлена неустойчивость течения воды при углах близких к опрокидыванию, которая объясняет картину развития процесса опрокидывания и пульсации температур на входе и выходе.

— определены границы эффективного использования естественной циркуляции воды в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при изменении его пространственного положения.

Практическая ценность работы:

— на основе проведенных экспериментальных исследований разработана методика расчета угла опрокидывания естественной циркуляции в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой.

— полученные результаты использованы в конструировании теплообменных аппаратов с естественной циркуляцией охлаждающей воды.

Автор защищает:

— результаты экспериментального исследования устойчивости естественной циркуляции горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой в ламинарной зоне течения при изменении его пространственного положения.

— физическую и математическую модели и разработанную на их основе методику расчета угла опрокидывания естественной циркуляции для горизонтального теплообменника с вытяжной шахтой.

По материалам, представленной, диссертационной работы имеется 5 «публикаций: в сборнике Научных трудов Калужского государственного педагогического университета им. К. Э. Циолковскогов сборнике трудов XV Школы — семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" — в сборнике трудов Четвертой Национальной Конференции по Теплообмену (2-е публикации), в журнале «Известия Тульского государственного университета».

Диссертационная работа была выполнена в период 2003 — 2006 г. в лаборатории «Теплофизики и гидродинамики» Калужского государственного педагогического университета им. К. Э. Циолковского под руководством доктора технических наук, профессора Мильмана О. О., которому автор выражает глубокую благодарность.

7. Результаты работы могут быть полезны при расчете систем охлаждения транспортных энергоустановок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Приведен обзор исследований, посвященных движению теплоносителя, обусловленного естественной конвекцией или естественной циркуляцией. Обоснована актуальность и практическая значимость исследований в этой области, в частности для систем охлаждения ядерных и химических реакторов.

2. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, и проведены исследования устойчивости естественноциркуляционного движения при ламинарном течении воды и воздуха в горизонтальном теплообменнике с вытяжной шахтой при его повороте в сторону вытяжной шахты. Данные получены при Rej в диапазоне от 400 до 1050- Ar.

3-Ю4 до 1.2−105- Рг-от 6 до 10- l/d-от 33 до 61- hjd-от 10 до 31-^ - от у.

0.27 до 0.92- q — от 5 до 32 кВт/м. Так же исследован двухтрубный теплообменник с относительным межтрубным расстоянием b/d — от 10 до 20.

3. Выявлена зависимость угла опрокидывания от геометрических h параметров теплообменника — /, hem, -SSL. Установлено, что угол опрокидывания не зависит от тепловой нагрузки в диапазоне q — от 5 до 32 кВт/м2.

4. Вблизи угла опрокидывания выявлены пульсации расхода и температур воды на входе в теплообменник, а также наличие одновременного движения жидкости в трубе в двух противоположных направлениях.

5. На основе визуального исследования и инструментальных измерений сформулирована физическая модель процесса опрокидывания и на ее основе дана математическая модель. В качестве критерия выделен тангенс угла опрокидывания, для которого получена зависимость h to в =— &-Иопр AL + L где L — длина обогреваемого участка;

AL — длина выходного необогреваемого участка.

6. На основе физической модели (в стационарном приближении) получены уравнения для тангенса угла опрокидывания h вт tgP =—.

Иаир л п «с AL, AL.

1.7 + 2.5—L + —.

L L где ALj — длина входного необогреваемого участка. Сопоставление экспериментальных данных полученных ранее в [59] позволило распространить диапазон применения полученной формулы на диапазон параметров Red — от 400 до 1050- Ard — от 3−104 до 1.7−106- Рг — от 2 до 10- h l/d — от 33 до 61- hjd — от 10 до 31—^ - от 0.22 до 1.9- q — от 5 до 110 кВт/м2.