Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности

Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена и гидравлического сопротивления при нагреве потока воздуха в трубе со вставками, выполнен теплогидравлический анализ исследованных вариантов Наведено результати експериментального дослідження теплообміну та гідравлічного опору при н...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Промышленная теплотехника
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Борисов, И.И., Халатов, А.А., Сорока, Б.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2009
Schlagworte:	Тепло- и массообменные процессы
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60777
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности / И.И. Борисов, А.А. Халатов, Б.С. Сорока // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 3. — С. 7-12. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60777
record_format	dspace
spelling	Борисов, И.И. Халатов, А.А. Сорока, Б.С. 2014-04-19T17:02:16Z 2014-04-19T17:02:16Z 2009 Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности / И.И. Борисов, А.А. Халатов, Б.С. Сорока // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 3. — С. 7-12. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60777 662.99 Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена и гидравлического сопротивления при нагреве потока воздуха в трубе со вставками, выполнен теплогидравлический анализ исследованных вариантов Наведено результати експериментального дослідження теплообміну та гідравлічного опору при нагріві потоку повітря в трубі зі вставками, проведено теплогідравлічний аналіз досліджених варіантів. The results of heat transfer and pressure drop studies are given for the case of air flow heating in a tube with cruciform inserts. The thermal- hydraulic performance analysis was also carried out. Работа выполнена при поддержке Украинского научно-технологического центра, проект № 4365, и Национальной академии наук Украины, Договор № 11-4365/07-УНТЦ. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности Heat transfer and pressure losses at the air flow in a tube with inserts structured with surface augmmenters Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности
spellingShingle	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности Борисов, И.И. Халатов, А.А. Сорока, Б.С. Тепло- и массообменные процессы
title_short	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности
title_full	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности
title_fullStr	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности
title_full_unstemmed	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности
title_sort	теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности
author	Борисов, И.И. Халатов, А.А. Сорока, Б.С.
author_facet	Борисов, И.И. Халатов, А.А. Сорока, Б.С.
topic	Тепло- и массообменные процессы
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
publishDate	2009
language	Russian
container_title	Промышленная теплотехника
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
format	Article
title_alt	Heat transfer and pressure losses at the air flow in a tube with inserts structured with surface augmmenters
description	Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена и гидравлического сопротивления при нагреве потока воздуха в трубе со вставками, выполнен теплогидравлический анализ исследованных вариантов Наведено результати експериментального дослідження теплообміну та гідравлічного опору при нагріві потоку повітря в трубі зі вставками, проведено теплогідравлічний аналіз досліджених варіантів. The results of heat transfer and pressure drop studies are given for the case of air flow heating in a tube with cruciform inserts. The thermal- hydraulic performance analysis was also carried out.
issn	0204-3602
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60777
citation_txt	Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности / И.И. Борисов, А.А. Халатов, Б.С. Сорока // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 3. — С. 7-12. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT borisovii teploobmenisoprotivleniepritečeniivozduhavtrubesovstavkamisintensifikatoraminaihpoverhnosti AT halatovaa teploobmenisoprotivleniepritečeniivozduhavtrubesovstavkamisintensifikatoraminaihpoverhnosti AT sorokabs teploobmenisoprotivleniepritečeniivozduhavtrubesovstavkamisintensifikatoraminaihpoverhnosti AT borisovii heattransferandpressurelossesattheairflowinatubewithinsertsstructuredwithsurfaceaugmmenters AT halatovaa heattransferandpressurelossesattheairflowinatubewithinsertsstructuredwithsurfaceaugmmenters AT sorokabs heattransferandpressurelossesattheairflowinatubewithinsertsstructuredwithsurfaceaugmmenters
first_indexed	2025-11-26T16:09:39Z
last_indexed	2025-11-26T16:09:39Z
_version_	1850764460409487360
fulltext	Для повышения эффективности промыш= ленных печей металлургической промышлен= ности широко используются U=образные реку= ператоры, в которых теплота сбросных газов используется для подогрева дутьевого воздуха. Совершенствование данного оборудования, вследствие особенностей конструкции, связа= но с интенсификацией внутреннего теплооб= мена, которая позволяет, помимо увеличения степени подогрева воздуха, снизить температу= ру поверхности трубы и продлить ресурс рабо= ты рекуператора. Одним из способов интенси= фикации теплообмена является применение внутренних вставок различной формы, воспри= нимающих тепловое излучение от стенки тру= бы и передающих его потоку воздуха [1]. Среди различных форм вставок наиболее благоприят= ные теплогидравлические характеристики име= ют вставки крестообразной формы, позволяю= щие в реальных условиях работы рекуперато= ров снизить температуру стенки трубы на 130…160 оС и увеличить средний коэффициент теплоотдачи на 33…60% при меньшем росте гидравлического сопротивления по сравнению со вставками других форм (цилиндрическими, гофрированными и др.). В настоящей работе выполнен анализ спо= собов увеличения общего теплообмена в тру= бе за счет применения крестообразных вста= вок с интенсификаторами, расположенными на их поверхности, с использованием сфери= ческих лунок, а также комбинации лунок с диагональными ребрами. Целью работы явля= ется экспериментальное исследование сопро= тивления и теплообмена в трубе со вставками и определение теплогидравлического совер= шенства данного вида интенсификации теп= лообмена. Наведено результати експеримен# тального дослідження теплообміну та гідравлічного опору при нагріві потоку повітря в трубі зі вставками, проведено теплогідравлічний аналіз досліджених варіантів Представлены результаты экспери# ментального исследования теплообмена и гидравлического сопротивления при нагреве потока воздуха в трубе со встав# ками, выполнен теплогидравлический анализ исследованных вариантов The results of heat transfer and pres# sure drop studies are given for the case of air flow heating in a tube with cruciform inserts. The thermal# hydraulic perform# ance analysis was also carried out. УДК 662.99 БОРИСОВ И.И.,1 ХАЛАТОВ А.А.,1 СОРОКА Б.С.2 1Институт технической теплофизики НАН Украины 2Институт газа НАН Украины ТЕПЛООБМЕН И СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ ВОЗДУХА В ТРУБЕ СО ВСТАВКАМИ С ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ НА ИХ ПОВЕРХНОСТИ f – коэффициент сопротивления; G – массовый расход воздуха; NuD – число Нуссельта, определенное по диаметру трубы; P – давление; ReD – число Рейнольдса, определенное по диаметру трубы; Т – температура; α – коэффициент теплоотдачи. Индексы нижние: 0 – параметры гладкой трубы; w – стенка; кр – крестовина; тр – труба. ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 7 ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Экспериментальная установка и методика проведения измерений Эксперименты проводились на установке, схема которой показана на рис. 1. Установка представляет собой открытый газодинамический контур. Поток воздуха от вентилятора 1 высокого давления ВВД=5 проходит через заслонку 2 для регулировки расхода, мерное сопло Вентури 3 и далее поступает в рабочий участок 4 с внешним омическим нагревом, после чего выбрасывается в атмосферу. Рабочий участок представляет собой трубу длиной 40 см, с внешней стороны которой распо= ложена электрическая спираль с наружной теп= лоизоляцией. Длина обогреваемого участка тру= бы составляла 33 см. Схема расположения крестообразной вставки в трубе показана на рис. 2, а. В экспериментах использовались крестообразные вставки с тремя 8 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 ТЕПЛО# И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 – вентилятор ВВД!5; 2 – задвижка; 3 – сопло Вентури; 4 – рабочий участок. а б в Рис.2. Схема расположения вставки в трубе (а) и варианты поверхностей: с лунками (б), и с лунками и диагональными ребрами (в). видами поверхности: гладкая, с “мелкими” сфе= рическими лунками диаметром 5 мм, глубиной 0,5 мм, отношением глубины к диаметру 0,1 (рис. 2, б), а также с лунками диаметром 10 мм, глубиной 2 мм и диагональными ребрами высо= той 1 мм (рис. 2, в). На схеме, изображенной на рис. 2, а, показан последний вариант поверхнос= ти. Внутренняя поверхность трубы и поверхнос= ти вставок покрывались черной термокраской с рабочей температурой до 650 оС для обеспечения степени черноты поверхности, близкой к ε = 1, что позволит проводить обоснованный расчет вклада каждой из составляющих в общий тепло= обмен. В процессе экспериментов по сопротивлению и теплообмену крестообразные вставки можно было заменять, что давало возможность сравни= вать теплообмен для различных вариантов. В экспериментах измерялись: расход воздуха, температура воздуха на входе в рабочий участок и на выходе из него, температура внутренней стен= ки трубы и вставок в различных точках, перепад статического давления в канале рабочего участ= ка, электрические параметры нагревателя (ток и напряжение), температура внешней стенки тру= бы вблизи электрической спирали (для исключе= ния ее перегрева и выхода из строя), а также тем= пература внешнего кожуха рабочего участка для оценки тепловых потерь. Расход воздуха измерялся с помощью сопла Вентури. Перепад давления и его абсолютное значение в расходомере определялись с по= мощью дифференциальных манометров. Пе= репад статического давления в канале рабоче= го участка измерялся микроманометром МКВ=250=0.02. Напряжение на клеммах оми= ческого нагревателя измерялись вольтметром Щ4313, а ток в спирали – с помощью шунта и цифрового милливольтметра В7=46/1. Темпера= тура потока воздуха и поверхности трубы и вста= вок измерялась хромель=алюмелевыми термопа= рами и цифровым милливольтметром Щ68003. Измерение среднемассовой температуры потока воздуха на выходе из рабочего участка проводи= лось с помощью установленного на выходе пере= мешивающего устройства [2], поскольку про= филь температуры на выходе имеет существенно неравномерный характер. Диапазон изменения расхода в экспериментах по определению гидравлического сопротивле= ния составлял 0,03…0,15 кг/с, число Рейнольдса, определяемое по диаметру трубы, изменялось в интервале 4·104…1,5·105. В экспериментах по теплообмену диапазоны изменения расхода и числа Рейнольдса составляли соответственно 0,06…0,1 кг/с и 6·104…1,0·105. Температура возду= ха на входе в канал составляла 21…28 оС. Рабочий участок был достаточно теплоемкий, поэтому время выхода на стационарный режим при про= ведении экспериментов составляло 1,5 ч. Обработка экспериментальных данных Обработка данных выполнялась без детализа= ции процессов конвективного и лучистого теп= лообмена, т.е. вставка рассматривалась как по= верхностный интенсификатор. При определении коэффициента теплоотдачи для трубы со встав= кой в качестве характерной поверхности тепло= обмена использовалась внутренняя поверхность трубы, в качестве характерной температуры стен= ки – температура стенки трубы, а в качестве эк= вивалентного диаметра – диаметр трубы. При та= кой обработке получаем “брутто” величину α. Данная обработка является наглядной и полез= ной при сравнении различных вариантов с теп= лообменом для гладкой трубы и с теплообменом для различных способов интенсификации тепло= обмена. Результаты экспериментов и их анализ Гидравлическое сопротивление Вначале были проведены тестовые экспери= менты по гидравлическому сопротивлению в гладкой трубе без вставки, а также с “гладкой” вставкой и выполнено сравнение полученных данных с известными расчетными зависимостя= ми для турбулентного течения в коротких кана= лах [3]. Эксперименты показали, что для гладкой трубы расчетные и экспериментальные данные по сопротивлению согласуются с точностью 3%. Экспериментальные данные для трубы со встав= кой с гладкой поверхностью находятся в интер= вале между данными, полученными расчетом для случаев развития гидродинамического погранич= ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 9 ТЕПЛО# И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ного слоя от начала крестовины и стабилизиро= ванного течения, поскольку в данном случае на поверхности трубы имеет место неполностью развитый пограничный слой, а на поверхности вставки он начинает формироваться от ее начала. Результаты по коэффициенту гидравлическо= го сопротивления, определенному по диаметру трубы в зависимости от числа Рейнольдса ReD, представлены на рис. 3. Как видно из рисунка, вставка с гладкой поверхностью увеличивает гидравлическое сопротивление в 3…3,4 раза. Вставка с лунками на поверхности повышает гидравлическое сопротивление еще на 80…90%. Наивысшее гидравлическое сопротивление имеет труба со вставкой с поверхностными лун= ками и диагональными ребрами: в сравнении с трубой с гладкой вставкой оно возрастает в 4…4,7 раза. Это вызвано тем, что на поверхнос= ти вставки под действием диагональных ребер формируются потоки, направленные на поверх= ность трубы, где происходит их перемешивание, которое сопровождается дополнительными по= терями энергии. Теплообмен Мощность электронагревателя в эксперимен= тах по теплообмену поддерживалась постоянной и составляла 2500 Вт. Величина плотности тепло= вого потока от поверхности трубы к потоку воз= духа в экспериментах с гладкой трубой составля= ла 2,3·104 Вт/м2, для трубы с крестовинами с гладкой поверхностью, с поверхностью с лунка= ми и с поверхностью с лунками и диагональными ребрами эта величина составляла соответственно 2,4·104, 2,5·104 и 2,85·104 Вт/м2. Такое повышение плотности теплового потока обусловлено увели= чением разности температур между нагревателем и стенкой трубы за счет интенсификации внут= реннего теплообмена. Теплообмен потока возду= ха в гладкой трубе без вставки с точностью ±8% совпадает с известной зависимостью для стаби= лизированного турбулентного теплообмена по= тока воздуха [4]: Nu = 0,018 Re0,8. На рис. 4 показана зависимость средней тем= пературы стенки трубы, температуры вставки и коэффициента теплоотдачи от массового расхода воздуха. Установка в трубе крестообразной встав= ки с гладкой поверхностью снижает ее темпера= туру на 150 оС при расходе воздуха 0,06 кг/с и на 100 оС – при расходе 0,1 кг/с (рис. 4, а). Интен= сификация теплообмена на поверхности вставки снижает ее температуру на 17…10 оС (рис. 4, б), однако практически не оказывает влияния на температуру стенки трубы. Это можно объяснить тем, что повышение коэффициента теплоотдачи на поверхности вставки нивелируется снижени= ем температурного напора. Использование вставки с лунками и диагональными ребрами снижает ее температуру в сравнении с вариантом гладкой вставки на 55…30 оС, температура стенки трубы при этом уменьшается на 65…70 оС, а в сравнении с гладкой трубой – на 210…170 оС. Это снижение обусловлено тем, что на поверхности вставки под влиянием диагональных ребер фор= мируются потоки, направленные на поверхность трубы, т.е в данном случае имеет место интенси= фикация теплообмена на внутренней стенке тру= бы. Таким образом, в случае вставки с лунками и диагональными ребрами, кроме повышения теп= лообмена за счет переизлучения, добавляется до= полнительный фактор интенсификации. Естест= венно, это вызывает дополнительные потери 10 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 ТЕПЛО# И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 3. Коэффициент гидравлического сопротивления трубы с различными вариантами вставок. Для трубы со вставками значения f определялись по диаметру трубы: 1 – гладкая труба; 2 – труба с гладкой вставкой; 3 – труба со вставкой с лунками; 4 – труба со вставкой с лунками и диагональными ребрами. энергии, что подтверждается результатами по гидравлическому сопротивлению (рис. 3). На рис. 4, в и 5 показаны зависимости коэф= фициента теплоотдачи от расхода воздуха и чис= ла Нуссельта от числа Рейнольдса. Как видно из рисунков, использование вставки с гладкой по= верхностью интенсифицирует теплообмен по сравнению с гладкой трубой на 35…50%, а для вставки с лунками и диагональными ребрами ко= эффициент интенсификации составляет 2,4 при Re = 105 и 2,8 – при Re = 4·104. На рис. 5 пунктир= ной линией показаны данные работы [1] для теп= лообмена в трубе с гладкой крестообразной вставкой для реальных условий работы рекупера= тора (при температуре стенки трубы 650 оС). Как видно из рисунка, эти данные находятся на 20% выше, полученных в настоящей работе, что свя= зано с возрастанием роли лучистой составля= ющей теплового потока. Фактор аналогии Рейнольдса Теплогидравлический анализ позволяет оп= ределить эффективность различных видов ре= куператоров для практического использования при заданных ограничениях по гидравлическо= му сопротивлению и теплообмену. Как показа= но в [5], использование системы координат [(Nu/Nu0)/(f/f0)]–(f/f0) позволяет прогнозиро= вать теплообмен при наличии данных по гидравлическому сопротивлению, а также проводить сравнение различных способов ин= тенсификации без громоздких детальных рас= четов. При таком представлении данных все они располагаются в достаточно узком “кори= доре” между двумя линиями: верхней, соответ= ствующей поверхностям с лунками при низких числах Рейнольдса [5], и нижней, полученной для обтекания ребер при высоких числах Рей= нольдса [6]. ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 11 ТЕПЛО# И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 4. Зависимость средней температуры внутренней стенки трубы (а), средней температуры крестовины (б) и коэффициента теплоотдачи (в) от массового расхода воздуха: 1 – гладкая труба; 2 – труба с гладкой вставкой; 3 – труба со вставкой с лунками; 4 – труба со вставкой с лунками и диагональными ребрами. Рис. 5. Зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса: 1 – гладкая труба; 2 – труба с гладкой вставкой; 3 – труба со вставкой с лунками; 4 – труба со вставкой с лунками и диагональными ребрами. 5 – данные [1] для трубы с гладкой крестообразной вставкой для реальных условий работы рекуператора. На рис. 6 показана зависимость фактора ана= логии Рейнольдса от фактора повышения сопро= тивления для исследованных вариантов трубы со вставками. Как видно из рисунка, для каждого из вариантов экспериментальные данные попадают в вышеуказанный “коридор”, причем для ReD ~ 105 они близки к зависимости для обтека= ния ребер. При этих числах Рейнольдса для глад= кой вставки значение (Nu/Nu0)/(f/f0) превышает нижнее граничное на 8%, для вставки с поверх= ностью с лунками оно равно граничному, а для вставки с лунками и диагональными ребрами па= раметр аналогии Рейнольдса больше граничного на 28%. Таким образом, с точки зрения теплогид= равлического совершенства последний вариант является более привлекательным. Выводы Полученные экспериментальные данные по теплообмену и сопротивлению трубы с различ= ными крестообразными вставками позволяют проводить обоснованный расчет рекуператоров. Практическое использование результатов по теп= логидравлической эффективности позволяет оценить уровень интенсификации теплообмена и проводить необходимые расчеты эффектив= ности рекуперации теплоты и температурного состояния рекуператоров. ЛИТЕРАТУРА 1. Сорока Б.С., Шандор П., Пьяных К.Е., Педо* ренко А.В. Интенсификация высокотемпературно= го теплообмена путем установки вторичных излу= чателей в трубах // Промышленная теплотехника. – 2003. – Т.25, Приложение к № 4. – С.349 – 352. 2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1975. – 488 с. 3. Сукомел А.С., Величко В.И., Абросимов Ю.Г. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах. – М.: – Энергия, 1979. – 216 с. 4. Михеев М.А., Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи. – Ленинград: Госэнергоиздат, 1960. – 208 с. 5. Халатов А.А., Онищенко В.Н., Борисов И.И. Аналогия переноса теплоты и количества движе= ния в каналах с поверхностными генераторами вихрей // Доповіді Національної академії наук України. – 2007. – № 6. – С.70–75. 6. Haasenritter A., Weigand B. Optimization of the rib structure inside a 2D cooling channel // ASME Paper GT2004 – 53187. – 10 p. Работа выполнена при поддержке Украинского научнотехнологического центра, проект № 4365, и Национальной академии наук Украины, Договор № 114365/07*УНТЦ. Получено 04.02.2009 г. 12 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 3 ТЕПЛО# И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 6. Фактор аналогии Рейнольдса в зависимости от фактора повышения гидравлического сопротивления: 1 – труба с гладкой вставкой; 2 – труба со вставкой с лунками; 3 – труба со вставкой с лунками и диагональными ребрами; 4 – верхняя ограничительная линия, соответствующая поверхностям с лунками [5]; 5 – нижняя ограничительная линия, соответствующая обтеканию ребер при высоких числах Рейнольдса [6].

Теплообмен и сопротивление при течении воздуха в трубе со вставками с интенсификаторами на их поверхности

Institution

Ähnliche Einträge