Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик

Предложен новый вид трубчатой поверхности нагрева для регенераторов-воздухонагревателей газотурбинных установок, отличающийся одинаково развитыми поверхностями теплообмена как со стороны наружного, так и со стороны внутреннего теплоносителей. Приведена методика численных исследований теплогидравличе...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2012
Main Authors:	Письменный, Е.Н., Баранюк, А.В., Вознюк, М.М.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2012
Series:	Промышленная теплотехника
Subjects:	Тепло- и массообменные процессы
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59053
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик / Е.Н. Письменный, А.В. Баранюк, М.М. Вознюк // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 1. — С. 45-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59053
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-590532025-02-09T15:36:45Z Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик Equal developed surfaces of heat exchange and method of numerical researches them heat hydraulic of descriptions Письменный, Е.Н. Баранюк, А.В. Вознюк, М.М. Тепло- и массообменные процессы Предложен новый вид трубчатой поверхности нагрева для регенераторов-воздухонагревателей газотурбинных установок, отличающийся одинаково развитыми поверхностями теплообмена как со стороны наружного, так и со стороны внутреннего теплоносителей. Приведена методика численных исследований теплогидравлических характеристик таких поверхностей и результаты тестовых экспериментов. Запропоновано новий вид трубчастої поверхні нагріву для регенераторів-повітряпідігрівачів газотурбінних установок, які відрізняються однаково розвиненими поверхнями теплообміну як з боку зовнішнього, так і з боку внутрішнього теплоносіїв. Приведена методика числових досліджень теплогідравлічних характеристик таких поверхонь і результати тестових експериментів. The new type of tubular surface of heating is offered for the regeneratorsair heaters of gas-turbine options, different the identically developed surfaces of heat exchange both from the side of outward and from the side of internal heat transfer. The method of numeral researches of heat- hydraulic descriptions of such surfaces and results of test experiments is resulted. 2012 Article Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик / Е.Н. Письменный, А.В. Баранюк, М.М. Вознюк // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 1. — С. 45-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59053 621.438:536.24 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Письменный, Е.Н. Баранюк, А.В. Вознюк, М.М. Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик Промышленная теплотехника
description	Предложен новый вид трубчатой поверхности нагрева для регенераторов-воздухонагревателей газотурбинных установок, отличающийся одинаково развитыми поверхностями теплообмена как со стороны наружного, так и со стороны внутреннего теплоносителей. Приведена методика численных исследований теплогидравлических характеристик таких поверхностей и результаты тестовых экспериментов.
format	Article
author	Письменный, Е.Н. Баранюк, А.В. Вознюк, М.М.
author_facet	Письменный, Е.Н. Баранюк, А.В. Вознюк, М.М.
author_sort	Письменный, Е.Н.
title	Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик
title_short	Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик
title_full	Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик
title_fullStr	Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик
title_full_unstemmed	Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик
title_sort	равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59053
citation_txt	Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик / Е.Н. Письменный, А.В. Баранюк, М.М. Вознюк // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 1. — С. 45-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT pisʹmennyjen ravnorazvityepoverhnostiteploobmenaimetodikačislennyhissledovanijihteplogidravličeskihharakteristik AT baranûkav ravnorazvityepoverhnostiteploobmenaimetodikačislennyhissledovanijihteplogidravličeskihharakteristik AT voznûkmm ravnorazvityepoverhnostiteploobmenaimetodikačislennyhissledovanijihteplogidravličeskihharakteristik AT pisʹmennyjen equaldevelopedsurfacesofheatexchangeandmethodofnumericalresearchesthemheathydraulicofdescriptions AT baranûkav equaldevelopedsurfacesofheatexchangeandmethodofnumericalresearchesthemheathydraulicofdescriptions AT voznûkmm equaldevelopedsurfacesofheatexchangeandmethodofnumericalresearchesthemheathydraulicofdescriptions
first_indexed	2025-11-27T12:26:07Z
last_indexed	2025-11-27T12:26:07Z
_version_	1849946406722207744
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №1 45 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ УДК. 621.438:536.24 Письменный Е.Н., Баранюк А.В., Вознюк М.М. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» РАВНОРАЗВИТЫЕ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И МЕТОДИКА ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИХ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Запропоновано новий вид трубчастої поверхні нагріву для регенераторів-повітряпідігрівачів газотурбінних установок, які від- різняються однаково розвинени- ми поверхнями теплообміну як з боку зовнішнього, так і з боку внутрішнього теплоносіїв. Приве- дена методика числових дослід- жень теплогідравлічних характе- ристик таких поверхонь і резуль- тати тестових експериментів. Предложен новый вид трубча- той поверхности нагрева для ре- генераторов-воздухонагревателей газотурбинных установок, отличаю- щийся одинаково развитыми поверх- ностями теплообмена как со сто- роны наружного, так и со стороны внутреннего теплоносителей. При- ведена методика численных иссле- дований теплогидравлических ха- рактеристик таких поверхностей и результаты тестовых эксперимен- тов. The new type of tubular surface of heating is offered for the regenerators- air heaters of gas-turbine options, different the identically developed surfaces of heat exchange both from the side of outward and from the side of internal heat transfer. The method of numeral researches of heat- hydraulic descriptions of such surfaces and results of test experiments is resulted. d – внутренний диаметр трубы, м; Е – кинетическая энергия турбулентности, м2/с2; H – площадь поверхности теплообмена, м2; h – висота выступа, м; K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); L – длина участка, м; nz – число заходов винтовой канавки; Р – давление, Па; Q – тепловой поток, Вт; q – плотность теплового потока, Вт/м2; r – коэффициент регенерации; T – температура, К, °С; ΔT – температурный напор, К, °С; t – шаг выступов, м; U – скорость воздушного потока, м/с; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); β – угол при вершине треугольного выступа, рад; δ – толщина стенки трубы, м; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); μ – динамический коэффициент вязкости, Па·с; ν – кинемптический коэффициент вязкости, м2/с; ρ – плотность, кг/м3. Безразмерные комплексы: Nu = α·d/λ – число Нуссельта; Red = U·d/ν – число Рейнольдса; Pr = ν/a – число Прандтля; ψ = Нрр/Нисх – степень развития поверхности. Индексы: в – воздух; вн – внутренний; г – газ; исх – исходный; н – нормальный; рр – равноразвитый; т – турбулентный; w – стенка; τ – тангенциальный. Введение Разработка рациональных методов интен- сификации теплообмена является основным направлением совершенствования теплооб- менных устройств. Особую актуальность ре- шение этой проблемы приобретает в услови- ях острой необходимости модернизации га- зотранспортной системы Украины с целью повышения ее эффективности, существенного снижения расхода “технологического” газа в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) с газо- турбинным приводом, составляющих основу существующего парка ГПА. Учитывая то, что в большинстве таких ГПА используются газо- турбинные установки с простым регенератив- ным циклом и коэффициентом регенерации, ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №146 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ не превышающим r = 0,70…0,75, наиболее реальным и относительно малозатратным в сегодняшних условиях направлением модер- низации является повышение степени регене- рации до r = 0,80…0,85, позволяющее, к при- меру, в ГПА типа ГПК-10 снижать расход “тех- нологического” газа в среднем на 1,5 млн. м3 в год. Однако, повышение степени регенерации до указанных значений сопровождается су- щественным снижением температурного на- пора между теплообменивающимися средами и, как следствие, значительным увеличением площади теплообменной поверхности, габари- тов, массы и стоимости регенератора-воздухо- нагревателя, а также потерь давления в газовом и воздушном трактах газотурбинной установки (ГТУ). Для того, чтобы сделать такую модерни- зацию минимально затратной, необходимо создание регенераторов нового поколения, в конструкциях которых будут реализованы ре- шения, позволяющие получить приемлемые массогабаритные и стоимостные характериc- тики, и в то же время использовать при их производстве существующее технологическое оборудование, а при реконструкции конкрет- ных газоперекачивающих станций – существу- ющее монтажное оборудование и фундаменты. Принимая во внимание тот факт, что аль- тернативы регенераторам трубчатого типа вследствие их высокой эксплуатационной на- дежности и конструктивной простоты в бли- жайшее время не предвидится, усилия ис- следователей и разработчиков целесообразно направить на совершенствование трубчатых элементов поверхностей нагрева. При этом необходимо учитывать следующее: – относительно небольшое различие свойств теплообменивающихся сред – продуктов сгорания при Р ≈ 0,103 МПа и воздуха при Р ≈ 0,45…0,6 МПа приводит к тому, что ко- эффициенты теплоотдачи по газовой и воз- душной сторонам имеют один порядок; – повышение коэффициента теплопередачи регенератора в таких условиях целесообразно за счет снижения термических сопротивлений теплоотдачи по каждой из сторон; применение одностороннего оребрения либо интенсифика- торов теплоотдачи не могут привести к значи- тельным результатам; – предлагаемые технические решения долж- ны быть технологичными, не приводящими к существенному повышению трудоемкости и стоимости производства поверхностей нагрева. Одно из решений рассматриваемой проб- лемы, которое в последнее время часто пред- лагается для реализации, заключается в пере- ходе к трубам малого диаметра d = 10…18 мм при толщине стенки δ = 0,6…0,8 мм. Однако, этот путь, позволяющий несколько снизить габариты и массу воздухонагревателя, не яв- ляется перспективным по следующим основ- ным причинам: – по мере снижения диаметра труб увеличи- ваются их общая длина в пределах теплооб- менника и стоимость их погонного метра, что практически не компенсирует снижение стои- мости изделия из-за уменьшения его металло- емкости; – количество технологических операций при изготовлении поверхностей нагрева воздухо- нагревателя растет обратно пропорционально уменьшению диаметра труб, что существенно увеличивает трудозатраты, а значит и стоимость изделия; – обостряются технологические проблемы и проблемы надежности, обусловленные сложно- стями приварки тонкостенных труб малого диа- метра к относительно толстостенным коллекто- рам или трубным доскам; – теплообменные поверхности в виде плотных пучков труб малого диаметра в большей мере подвержены аккумулированию загрязняющих отложений и в меньшей мере поддаются очист- ке; – потери давления в газовом и воздушном трак- тах не снижаются и остаются при r ≈ 0,85 на неприемлемо высоком уровне. В связи со сказанным поверхности на- грева регенераторов-воздухонагревателей, на наш взгляд, следует выполнять из труб относи- тельно большого диаметра d = 36…40 мм при толщине стенки δ = 1,0…1,5 мм. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №1 47 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Улучшение теплоаэродинамических харак- теристик поверхностей нагрева, в основу кон- струкций которых закладываются трубы таких типоразмеров, возможно несколькими, не свя- занными с большими техническими трудностя- ми способами. Равноразвитые поверхности Одним из таких способов, рассмотрению которого посвящена предлагаемая работа, состоит в одновременном одинаковом разви- тии внутренней и наружной поверхностей труб радиальным вдавливанием по окруж- ности участков их стенок с образованием чере- дующихся кольцевых впадин и выступов «тре- угольного» профиля (рис. 1, 2). Это позволяет при определенных параметрах образовавшегося профиля получить двойной эффект: – существенное, практически одинаковое раз- витие поверхностей, омываемых как внутрен- ним, так и наружным теплоносителями, вслед- ствие чего такого рода теплообменная поверх- ность получила название “равноразвитой”; – интенсификацию теплоотдачи как со стороны внутреннего, так и со стороны наружного тепло- носителей. Если приближенно представить профиль равноразвитой поверхности как последователь- ность треугольных выступов и углублений и Рис. 1. Равноразвитые поверхности теплообмена. Рис. 2. Геометрические характеристики профиля равноразвитой поверхности. пренебречь толщиной оболочки, то несложный геометрический анализ показывает, что сте- пень развития поверхности ψ = Нрр/Нисх зави- сит от угла при вершине треугольного выс- тупа β (или шага t) и его высоты h, причем характер этой зависимости имеет, на первый взгляд, парадоксальный характер. К примеру, если взять для упрощения профиль выступа в виде боковых сторон равностороннего тре- угольника, то оказывается, что степень разви- тия поверхности будет определяться выраже- нием: ψ = 2·(1 – h/d), (1) из которого следует, что максимальная (пре- дельная) степень развития поверхности, равная ψпред = 2, достигается при h → 0, когда число выступов nh на единице длины трубы стре- мится к бесконечности (nh → ∞). При теоре- тически максимальной высоте выступов (глу- бине впадин), равной h = d/2, увеличение поверхности трубной оболочки не происхо- дит: при h → d/2 ψ → 1,0. Уменьшение глуби- ны впадин от этого значения приводит к росту поверхности теплообмена. Если взять за основу равнобедренный треу- гольник с прямым углом при вершине (β = 90°), то формула для ψ приобретает вид: ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №148 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ψ = 20,5·(1 – h/d), (2) т.е. в этом случае возможно меньшее разви- тие поверхности (ψпред = 20,5). Дальнейшее увеличение угла β при вершине выступа при- водит к хорошо известным случаям исполь- зования чередующихся конфузорно-диффу- зорных участков для турбулизации внутре- ннего пограничного слоя [1]. При этом раз- вития поверхности теплообмена в практи- чески ощутимых пределах не происходит. Получение степени развития поверхности, большей двух (ψ > 2), очевидно, возможно за счет уменьшения угла β (β < 60°). С позиций внешней задачи, с целью увеличения переда- ваемого теплового потока такие остроконеч- ные выступы на наружной поверхности тру- бы, взаимодействующей с нормальным к ее продольной оси потоком теплоносителя, пред- ставляются целесообразными – профиль на- ружной поверхности при этом становится похожим на поверхность поперечно-оребрен- ной трубы. Однако, в этом случае значитель- но ухудшаются условия омывания поверхности внутренним теплоносителем, т.к. относительная глубина треугольных каверн возрастает. Улучшению внутренней гидродинамичес- кой ситуации в любом случае может способ- ствовать формирование развитой поверхности не в виде кольцевых, а в виде винтообразных впадин и выступов (рис. 3), что приводит к за- крутке потока внутри трубы, т.е. возникнове- нию тангенциальной составляющей скорости в каверне Uт и интенсификации теплоперено- са в ней. В этом случае к перечисленным выше конструктивным характеристикам развитой поверхности добавляется число заходов вин- товой канавки nz, которое теоретически может изменяться от 1 до ∞ (nz = 1…∞), а практи- чески – от 1 до 8 (nz = 1…8). Очевидно, что с увеличением nz при прочих равных пара- метрах улучшаются условия омывания внут- ренней поверхности трубы за счет увеличе- ния тангенциальной составляющей скоро- сти Uт, снижается внутреннее гидравлическое сопротивление, однако, при этом несколько ухудшаются условия обтекания наружной по- верхности трубы поперечным потоком. Поэтому, принимая во внимание выше- сказанное, следует отметить, что разработка равноразвитых поверхностей для регенерато- ров-воздухонагревателей является сложной оптимизационной задачей, в результате ре- шения которой для заданных режимных ус- ловий работы должны быть найдены такие значения их конструктивных параметров h, β, t, nz, которые обеспечивают: – максимальное развитие поверхности тепло- обмена; – максимально возможную интенсивность теплоотдачи на наружной поверхности труб с учетом их компоновки в виде поперечно-об- текаемого шахматного или коридорного пучка; – максимальную интенсивность теплоотдачи на внутренней поверхности труб; – минимальное аэродинамическое сопротивле- ние при поперечном омывании пучков труб с равноразвитой поверхностью; – минимальное гидравлическое сопротивление при движении внутреннего теплоносителя. При этом необходимо учитывать ограни- чения на геометрические параметры равно- развитых поверхностей, связанные с реальной технологией их производства, а также с воп- росами прочности и эксплуатационной надеж- ности: минимальные радиусы скругления вер- шин выступов и впадин, реальную толщину стенки и ее допустимое утонение при дефор- мировании, свойства конструкционных сталей, а) б) Рис. 3. Винтообразные равноразвитые поверхности с винтовыми канавками: а – однозаходной nz = 1; б – двухзаходной nz = 2. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №1 49 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ возможности используемого технологического оборудования и др. Эти ограничения снижают достигаемую при конкретных значениях па- раметров h, β, t, nz, d степень развития повер- хности. Однако, любое заметное (ψ > 1,15) двухстороннее развитие поверхности целе- сообразно, т.к. прямым образом влияет на увеличение передаваемого теплового потока (Q = K·Hpp·Δt) и обеспечивает соответствую- щее снижение металлоемкости теплообмен- ника. Если учесть, что при этом происходит интенсификация как внутренней, та и наруж- ной теплоотдачи, то суммарный эффект оказы- вается значительно более высоким. Сказанное можно проиллюстрировать сле- дующим примером. Пусть в исходном глад- котрубном теплообменнике коэффициенты теп- лоотдачи по газовой и воздушной сторонам составляют, соответственно, α = 110 Вт/м2·К и α = 120 Вт/м2·К. Если предположить, что при переходе к соответствующим равноразвитым поверхностям интенсивность наружной теп- лоотдачи увеличится в 1,2 раза, а внутренний – в 1,5 раза (что вполне реально), то коэффи- циент теплопередачи K возрастет в 1,32 раза. Тогда при степени развития поверхности ψ = = 1,44 тепловой поток Q, передаваемый в воз- духонагревателе, увеличится почти в 2 раза: ΔQ = ΔK·ψ = 1,32·1,44 = 1,91. Наиболее эффективный подход к решению этой сложной многовариантной задачи заклю- чается в использовании возможностей чис- ленного моделирования процессов переноса на основе современных, адаптированных к усложненным условиям развития течения моделей при одновременном ориентировании на более узкие базовые экспериментальные исследования. Постановка задачи и методика исследований В настоящей публикации, отражающей на- чальные этапы работы, рассматривается мето- дика моделирования и некоторые результаты численных исследований процессов переноса внутри равноразвитой поверхности, которая в первом варианте представляет собой одно- заходную винтообразную трубу с исходным внутренним диаметром d = 36 мм (рис. 3, а). Высота h и шаг t «треугольных» выступов (впадин), образующих профиль аксиально- го сечения трубы, варьировалась в пределах h = 3...7 мм, t = 8...17 мм. Радиус скругления вершин выступов равнялся 1,6 мм. В зависи- мости от этих величин степень развития ис- ходной поверхности изменялась в пределах ψ = 1,15...1,44. С целью отладки методики исследований параллельно моделировались процессы течения и теплообмена в гладкой трубе с внутренним диаметром, равным исход- ному диаметру d равноразвитой поверхности. Рассматривался теплообмен при турбу- лентном течении воздуха со следующими па- раметрами на входе в трубу: средняя темпе- ратура T∞ = 19,3 ºС, давление P∞ = 0,1 МПа, степень турбулентности Tu∞ = 0,1 %, профиль скорости – равномерный. На стенке винто- образной трубы с целью обеспечения воз- можности корректного сопоставления резуль- татов численного моделирования с данными параллельно проводившихся в НТУУ «КПИ» экспериментальных исследований задавались граничные условия второго рода вида qw = = const. На стенке гладкой трубы задавались граничные условия первого рода вида Tw = = const ввиду использования в качестве базо- вой известной экспериментальной зависи- мости А.С. Сукомела [2] полученной при ана- логичных граничных условиях. Nu = 0,022·Re0,8·Pr0,43·(1 + 2/(L/d)). (3) Числа подобия рассчитывались по сред- ней скорости воздуха, отнесенной к круглому поперечному сечению трубы с диаметром d, который служил и определяющим размером. В качестве определяющей температуры при- нималась средняя температура потока воздуха в трубе. Исследования проводились в диапа- зоне чисел Рейнольдса Red = (1,5...4,6)·104. Система уравнений, описывающих про- цессы переноса импульса и теплоты внутри исследуемых каналов, включает уравнения движения и энергии в форме Рейнольдса сле- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №150 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ дующего вида: 0j j U x ∂ = ∂ , (4) 1i i j j i U U PU x x ∂ ∂ ∂ + = − + ∂τ ∂ ρ ∂ ( )T 2 3 i j ij j j i U U E x x x   ∂ ∂ ∂ + ν + ν + − δ   ∂ ∂ ∂    , (5) T TPr Pr j j j j t t tU x x x   ∂ ∂ ∂ ν ν ∂ + = +  ∂τ ∂ ∂ ∂    . (6) Предполагая сложный характер течения в рассматриваемом объекте, сочетающий осо- бенности, характерные как для пристеноч- ных, так и для свободных сдвиговых течений, с целью замыкания базовой системы уравне- ний (4)-(6) использовалась двухслойная зо- нальная Е-ω модель турбулентности Ментера [3]. Выбор этой модели в значительной мере обусловлен широким положительным опытом ее использования при решении задач модели- рования вихревой динамики и теплообмена в условиях обтекания поверхностей сложной формы [3-6]. Турбулентное число Прандтля для рассматриваемых условий принималось равным 0,9. а) б) Рис. 4. Расчетная сетка: продольный вид (а); поперечный вид (б). Численное решение системы базовых и мо- дельных уравнений основывалось на неявном конечно-объемном подходе с использованием процедуры коррекции давления SIMPLE. Рас- четная область покрывалась неравномерной, со сгущением к стенкам канала тетраэдри- ческой сеткой. Размер минимального шага узлов сетки выбирался согласно рекоменда- циям [3] из условия Δxi ~ Re-1. Трехмерная расчетная сетка представлена на рис. 4. Мак- симальное количество ячеек, необходимое для дискретизации расчетной области соста- вило ~ 4 млн. Для всех уравнений системы был выбран критерий сходимости решения, равный 10-5. Выход из вычислительного цикла связы- вался с установлением расчетных параметров контролируемых интегральных характеристик в характерных точках области течения. Результаты тестовых экспериментов Как отмечалось выше, для подтверждения правильности принятия методических подхо- дов были проведены тестовые эксперименты, в результате которых получены распределения скорости, температуры и локальных коэффици- ентов теплоотдачи по длине гладкой трубы. На рис. 5 показаны данные моделирова- ния профилей скорости u = f(y/d) в нескольких ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №1 51 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ сечениях (x/d = const) трубы при различных значениях чисел Рейнольдса. Представленные данные показывают хорошее качественное и количественное согласование численных и экспериментальных результатов: по мере уве- личения значения относительной координаты x/d наблюдается деформирование начального равномерного профиля скорости, связанное с нарастанием толщины гидродинамического пограничного слоя и переход к распределению скоростей, соответствующему «закону 1/7» в конце начального участка. Расхождение чис- ленных и экспериментальных результатов в рассматриваемом случае не превышает 7 %. На рис. 6 представлены расчетные значе- ния локальных чисел Нуссельта, отнесенных к значению числа Нуссельта на участке гид- родинамической и термической стабилизации (Nu0), по длине начального участка круглой трубы в сопоставлении с экспериментальной зависимостью (3). Наблюдается хорошее со- впадение данных численных исследований с экспериментальной кривой практически на 0 5 10 15 20 25 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 y/d w, ì /ñ 0 5 10 15 20 25 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 y/d w, ì /ñ 0 5 10 15 20 25 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 y/d w, ì /ñ 0 5 10 15 20 25 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 y/d w, ì /ñ x/d = 0,017 x/d = 0,4 x/d = 0,8 x/d = 15 Рис. 5. Профили скорости в гладкой трубе: ● – Rе = 1,5∙104; ○ – Rе = 3,0∙104; ▼ – Rе = 4,6∙104; ▬ – «закон 1/7». м/с м/с м/с всей длине участка за исключением области x/d < 1, примыкающей ко входу в трубу, что вполне объяснимо: в этой специфической об- ласти начала формирования пограничного слоя параметры процессов течения и теплообмена весьма чувствительны к тому, как выдержива- ются условия на входе, вследствие чего точ- ность самих экспериментальных данных отно- сительно не высока. В определенной мере в качестве тестовых рассматривались также начальные исследова- ния течения в винтообразных трубах, резуль- таты которых подтвердили высказанные выше представления о характере движения среды и механизме интенсификации теплообмена в равноразвитых поверхностях нагрева. На рис. 7 показано поле векторов скорости в аксиальном сечении винтообразной трубы. Наблюдаются устойчивые вихревые структуры в «треугольных» кавернах и их взаимодействие с ядром течения в центральном канале. Интен- сивность циркуляционного движения среды ниже, чем интенсивность основного течения. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №152 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ То есть, картина течения в целом соответ- ствует сложившимся представлениям о дви- жении жидкости в траншеях или кольцевых кавернах соответствующего профиля. Одна- ко, как следует из рис. 8, на котором показа- но поле векторов скорости в плоскости полу- витка винтообразной каверны, течение в ней интенсифицируется за счет тангенциальной составляющей скорости, возникающей в вин- тообразной конструкции вследствие закрутки потока, чего нет в конструкциях с кольцевы- ми кавернами. Движение в двух взаимно пер- пендикулярных направлениях, возникающее в винтообразных кавернах, приводит к формиро- ванию в них трехмерных вихревых структур – вихревых жгутов, что подтверждается изобра- жением пространственных линий тока в витке и примыкающей к нему области центрального Рис. 6. Распределение относительных значений локальных коэффициентов теплоотдачи по длине круглой трубы при Rе = 1,5∙10 4: 1 – данные численного моделирования; 2 – экспериментальная зависимость (3) [2]. 0 2 4 6 8 10 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x/d Nu/Nu0 канала на рис. 9. Трехмерные вихревые струк- туры интенсифицируют процессы переноса в таких каналах. Полученные данные позволили с опреде- ленной долей уверенности продолжить иссле- дования локальных и среднеповерхностных характеристик переноса в предлагаемом типе теплообменной поверхности при варьировании ее геометрических характеристик и режимных параметров. Заключение Приведенный выше анализ позволяет пред- положить, что предлагаемый тип теплообмен- ной поверхности является перспективным. В настоящее время в НТУУ ”КПИ” проводится комплекс численных и экспериментальных ис- следований теплообмена и гидроаэродинамики равноразвитых поверхностей, направленных Рис. 7. Распределение векторов скорости в аксиальном сечении винтообразной трубы с h = 7 мм; t = 12 мм; r = 1,6 мм при Re = 4,6∙104. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №1 53 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ на поиск их оптимальных геометрических характеристик применительно к режимным условиям работы регенераторов-воздухона- гревателей ГТУ. При этом рассматриваются не только внутренняя, но и внешняя задачи, поскольку теплообмен и аэродинамика пучков труб с развитой винтообразной поверхностью предлагаемого профиля при поперечном об- текании, несмотря на некоторую их схожесть с трубами с наружным винтовым оребрением, на сегодняшний день не исследованы и тре- буют самостоятельного изучения. Параллель- но ведутся технологические исследования, связанные с разработкой технологии массо- вого производства труб с равноразвитой по- верхностью. ЛИТЕРАТУРА 1. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. – Л.: Энергия. Ленингр. отделение. 1980. – 144 с. 2. Сукомел А.С., Величко В.И., Абросимов Ю.Г. Теплообмен и трение при турбулентност- ном течении газа в коротких каналах. – М.: Энергия, 1979. – 216 с. 3. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в па- кетах труб. – СПб.: Судостроение, 2005. – 392 с. 4. Исаев С.А., Баранов П.А., Кудрявцев Н.А., Лысенко Д.А., Усачов А.Е. Сравнительный анализ пакетов VP2/3 и FLUENT при расчете Внешняя граница витка Внутреняя граница витка Рис. 8. Поле векторов скорости в плоскости полувитка винтообразной трубы с h = 7 мм; t = 12 мм; r = 1,6 мм при Re = 4,6∙104. Рис. 9. Трехмерные линии тока в витке равноразвитой поверхности при Re = 4,6∙104. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №154 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ нестационарного обтекания кругового цилин- дра с использованием моделей турбулентности Спаларта – Аллмереса и Ментера // Инж. – физ. журнал. – 2005. – Т78, 6.С148–162. 5. Исаев С.А., Баранов П.А., Кудрявцев Н.А., Лысенко Д.А., Усачов А.Е. Комплексный ана- лиз алгоритмов, сеточных структур и моделей турбулентности при расчете циркуляционного течения в каверне с помощью пакетов VP2/3 и FLUENT. Ч. 1. Влияние схемных факторов // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12. № 4.– С. 587–608. 6. Исаев С.А., Баранов П.А., Кудрявцев Н.А., Усачов А.Е. Анализ вихревого теплообмена при поперечном обтекании траншеи на пло- скости с помощью многоблочных вычисли- тельных технологий и различных полуэмпи- рических моделей турбулентности // Инж. – физ. журнал. – 2004. – Т. 77, №. 6. – С. 152–161. Получено 26.10.2011 г. УДК 621.186.1 Дмитренко Н.П. Институт технической теплофизики НАН Украины ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ В МОДЕЛЬНОЙ АКТИВНОЙ ЗОНЕ НАСЫПНОГО ТИПА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗООХЛАЖДАЕМЫХ РЕАКТОРОВ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ На основі запропонованої математичної моделі теплообміну та гідродинаміки проведено чи- сельне дослідження характери- стик потоку теплоносія в моделі активної зони насипного типу в нестаціонарних умовах. На основе предложенной мате- матической модели теплообмена и гидродинамики проведено числен- ное исследование характеристик потока теплоносителя в модели ак- тивной зоны насыпного типа в усло- виях нестационарности. On the basis of proposed mathematic model of heat exchange and hydrodynamics the numerical investigation of heat carrier flow characteristics in model active zone pebble bed design in non stationary conditions is made. Ad, Bd, D0, С1, С2 – константы; cF – коэффициент Форхаймера; С – изобарная теплоемкость; d − мерность пространства; G – расход; J − отношение вязкостей; K – проницаемость; k – кинетическая энергия; l – длина; q – тепловой поток; r – радиус; t – время; Т – температура; V – вектор скорости; u, w – проекции вектора скорости; ВТГР – высокотемпературный газоохлаждаемый реактор; Pr = (μ·cF)/λ – число Прандтля; ε – скорость диссипации; μ − динамический коэффициент вязкости; ρ – плотность; φ – пористость. Индексы: m, n – проекции на координаты; t – турбулентный параметр; шз − шаровая засыпка; ν – внутренний источник энергии.

Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных исследований их теплогидравлических характеристик

Institution

Similar Items