Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

а б Рис.3.231. Рабочий участок для исследования гидродинамики плоского канала с

углублениями в виде сферических выемок: а – схема рабочего участка; б – внешний вид

Для исследования одновременно теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с выемками с острыми кромками использовался также рабочий участок, схема которого представлена на рис.3.232а, а общий вид – на рис.3.232а. Газодинамический тракт рабочего участка представляет собой канал прямоугольного сечения шириной 90 и длиной 200 мм. Высота канала может плавно изменяться от 1 до 10 мм за счет подвижной верхней стенки закреплённых на 4-х шпильках 6. На рабочем участке реализовано отношение В/Н>9, что обеспечивает моделирование плоского течения без учета вторичных течений в угловых зонах.

а б Рис.3.232. Рабочий участок для исследования теплоотдачи и гидравлического

сопротивления в каналах с выемками с острыми кромками: а – общий вид в сборе; б – схема

В двух сечениях у передней и в двух сечениях у задней кромки нижней пластины выполнены сверления под щуп глубиномера штангенциркуля с ценой

259

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

деления 0,05 мм. Контроль высоты канала в четырех точках предотвращал перекос верхней стенки и искажение геометрии канала.

Верхняя и нижняя стенки канала 1, 2 выполнены из пластин нержавеющей стали Х18Н9Т, которая имеет относительно невысокий коэффициент теплопроводности, что имеет значение для предотвращения осевых перетечек тепла. Толщина пластины 10 мм. Эта толщина выбрана из условий достаточности для нанесения глубоких выемок. В зависимости от цели эксперимента на одну или на обе пластины наносились выемки глубиной до 5 мм.

В опытах реализовывался односторонний нагрев.

Для измерения температуры поверхности нижняя пластина препарировалась десятью хромель-копелевыми термопарами с диаметрами электродов 0,2 мм, расположенными в десяти сечениях по длине пластины.

Нагрев пластины осуществлялся электрической спиралью, сделанной из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм. Спираль размещалась на асбестовом основании под нижней стенкой канала.

Для измерения среднемассовой температуры воздуха на выходе из рабочего участка установлена камера смешения с пятью перегородками. Для отбора статического давления в верхней пластине были выполнены два отверстия диаметром 0,6 мм, соединенные со штуцерами 5. Расстояние от входа в канал до первого отверстия L / Dэкв =8, что обеспечивает отсутствие влияния начального

участка гидродинамической стабилизации на измеряемый перепад давления. Общий вид рабочего участка для исследования теплоотдачи гидравличе-

ского сопротивления в каналах с выемками с гладкими кромками представлен на рис.3.233а. Основными деталями рабочего участка (рис.3.233б) являются верхняя 1 и нижняя 3 текстолитовые пластины и боковые проставки 2, формирующие канал прямоугольного сечения шириной 50 мм, длиной 226 мм. Высота канала может изменяться в пределах 1–10 мм, в зависимости от толщины боковой проставки. Это позволяет в ходе эксперимента изменять относительную высоту канала Н = Н/ h в пределах от 0.1 до 1. Скорость потока внутри рабочего участка при всех вышеуказанных высотах канала может плавно регулироваться в пределах 1–140 м/с. Непосредственно за рабочим участком находится камера смешения 12. Верхняя и нижняя текстолитовые пластины 1,3 одновременно выполняют роль силового каркаса, тепловой и электрической изоляции. Опытный образец 4 крепится к нижней текстолитовой пластине 3 при помощи силовой конструкции 7, одновременно выполняющей роль электрических контактов в системе электрического нагрева пластины. Нагрев в данной установке осуществляется путем пропускания тока непосредственно через опытный образец.

Опытные образцы – тонкие пластины из электростали с поперечным се-

чением 0,2×50 мм и длинной 166 мм. Для обеспечения плотного прилегания пластины 4 к основанию 3 служат растягивающие винты 8. В зависимости от цели каждого конкретного эксперимента на пластины могут наноситься различные упорядоченные рельефы выемок (шахматные и коридорные). Выемки наносятся методом штамповки. При этом могут варьироваться как глубина и

260

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

диаметр выемок, так и продольный и поперечный шаг рельефа. При проведении квалификационных опытов используются гладкие пластины (без рельефа выемок). При этом формованные и гладкие образцы подбирались так, чтобы при равной длине их полное электрическое сопротивление на единицу длины было бы также равным, а изменение электрического сопротивления по длине пластины – однородным, что обеспечивало бы правомерность их сопоставления при равных режимах охлаждения.

а б Рис.3.233. Рабочий участок для исследования теплоотдачи трения в каналах с

выемками с гладкими кромками: а – внешний вид в сборе; б – схема

Входные кромки обеих текстолитовых пластин для обеспечения плавности входа обработаны по радиусу, наиболее близкому к расчетной кривой (лимнескате), рекомендованной для входных устройств. Для контроля безотрывности потока на входе предусмотрена возможность измерения перепада давления во входном устройстве. При сборке рабочий участок крепится между двумя фланцами 9 при помощи шпилек 10 (рис.3.233). Фланцы 9 имеют паз глубиной 3 мм для центрирования рабочего участка в поперечном направлении.

Для измерения температуры опытных образцов пластины с внутренней стороны препарируются хромель-копелевыми термопарами с диаметром электродов 0,2 мм. Горячие спаи термопар предварительно привариваются к внутренним поверхностям пластин конденсаторной сваркой, а электроды их размещаются в канавках, специально выфрезерованных в нижней текстолитовой пластине, и выводятся за пределы рабочего участка через герметичные выводы. Термопары имеют общий холодный спай, помещаемый в термостатированный сосуд.

Нагрев опытного образца осуществляется электрическим током, подводимым к пластине через медные токопроводы 7 (рис.3.233), припаиваемые к пластине серебряным припоем. Электрический ток подается от сети переменного тока через понижающий трансформатор 12 (220/4 В). Регулирование элек-

261

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

трической мощности осуществляется на входе понижающего трансформатора с помощью лабораторного автотрансформатора. При данной системе нагрева температура пластины может изменяться от 25° до 120°С.

Максимальный перепад температур между пластиной и рабочей средой при этом составляет 90–100°С, что обеспечивает достаточную точность при проведении теплофизических исследований. Для контроля утечек тепла через текстолитовую изоляцию в поперечном направлении, в трех сечениях с внешней стороны текстолитовых пластин заделываются три термопары.

Для отбора статического давления в сечениях, соответствующих началу и концу исследуемой пластины, просверлены отверстия диаметром dотв=0,71 мм. Эта отверстия соединяются с гнездами под штуцеры отбора давления 5,6 (рис.3.233б). Непосредственно за рабочим участком располагается камера смешения. Она состоит из 4-х пластин 11, приваренных к внутренним стенкам трубы поперек ее оси. Для прохода воздуха в них выполнены отверстия, расположенные со смещением друг относительно друга. Для измерения температуры воздуха за рабочим участком на расстоянии одного диаметра трубы от последней пластины камеры смешения имеется отверстие под датчик термопары.

Все исследования проводились на установившемся стационарном режиме течения и теплообмена.

Общий тепловой поток, проходящий через поверхность опытного образца, для контроля точности измерений, определяется двумя путями – по изменению температуры воздуха на входе и выходе из рабочего участка и по значению электрической мощности с учетом потерь. Отличие не превышало 7,2%. При определении коэффициента теплоотдачи использовалась полная площадь поверхности с выемками. Если площадь поверхности опытного образца для случая гладкой пластины определяется по формуле Fгл=bL, где b – ширина пластины, L – длина пластины; то площадь поверхности пластины с шахматным расположением выемок определялась как:

где hл – глубина выемки (высота выступа); S1 – поперечный шаг выемок (выступов); S2 – продольный шаг выемок (выступов). При этом плотность выемок (выступов) на поверхности исследуемого образца равна:

f = 2πr2 , 3S1S2

где r – радиус выемки (выступа).

262

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

При обобщении экспериментальных данных использовалась среднерасходная скорость воздуха в рабочем участке, т.е. скорость с учетом расширения канала за счет наличия выемок:

где Hэ – эффективная высота канала, рассчитанная как высота плоского прямоугольного канала с гладкими стенками равного по объему исследуемому каналу с выемками:

где n1 , n2 – число поперечных и продольных рядов выемок; k=2 – для канала с двусторонними выемками; R – радиус сферы, которым формована выемка.

В качестве характерных размеров в вычислениях и при обобщениях принимались либо глубина выемок h, либо эквивалентный диаметр канала Dэкв = 4Fк / П, где Fк – площадь поперечного сечения канала, П – смоченный

периметр.

Погрешность определения коэффициента теплоотдачи в экспериментах составляла 6–12%, а коэффициента гидравлического сопротивления – 5–8%.

На рис.3.234 показана схема и общий вид рабочего участка для исследования структуры течения плоского канала со сферическими интенсификаторами. Он изготовлен на основе описанных выше рабочих участков. Газодинамический тракт рабочего участка представляет собой канал прямоугольного сечения шириной 96 и длиной 190 мм. Высота канала меняется сменными вставками 2– 12 мм. Демонтаж нагревателя позволили увеличить толщину пластины основания, что позволяло наносить выемки диаметром 58 мм и глубиной 24 мм. Кроме этого, боковые и верхняя стенка выполнялась из плексиглаза для визуализации потока дымом.

Визуализация проводилась путем вдува дыма через трубку дымогенератора, закрепленную на пластине с рельефом интенсификаторов. Визуализация проводилась с использованием цифровой видеокамеры Sony-DSR-TRVIIOE c 24-x кратным увеличением и цифровой фотокамеры Sony-DSС-F505V с режимом макросъемки c 10-м увеличением. Дым в канал подавался порционно, с отсечкой подачи дыма в канал на момент формирования вихревой структуры, как через трубку размещенную на координатном устройстве, так и через направляющее устройство расположенное в пристенной зоне.

Кроме описанного выше рабочего участка для визуализации потока в канале с выемками использовался еще рабочий участок с односторонними и двусторонними выемками, внешний вид и схема которого представлена на

263

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

рис.3.235. Газодинамический тракт рабочего участка представляет собой канал прямоугольного сечения шириной 120 и длиной 300 мм. Нижняя стенка канала 1 выполнена из оргстекла и имеет паз шириной 100 мм.

а б Рис.3.234. Рабочий участок для исследования структуры течения плоского ка-

нала с углублениями в виде сферических выемок: а – схема рабочего участка; б

– внешний вид

а

б

Рис.3.235. Рабочий участок для визуализации течения: а – внешний вид; б – схема

В пазу крепится подвижный брусок 2 с полусферической выемкой диаметром 90 мм, в верхней стенке 3 также выполнена полусферическая выемка того же диаметра. Геометрия выемок на верхней и нижней стенках канала может быть изменена с помощью пластилина, залитого в углубления и сформиро-

264

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ванного шарообразным пуансоном. Нижний брусок может свободно перемещаться в продольном направлении в пределах 100 мм. Таким образом в рабочем участке предусмотрена возможность моделирования канала с различным смещением верхних и нижних выемок друг относительно друга. Высота канала может изменяться от 10 до 45 мм в зависимости от толщины боковой проставки 4. Боковые проставки выполнены из полированного оргстекла для визуализации потока. Визуализация проводилась путём вдува дыма через трубку 5, закреплённую в подвижном бруске. Для проведения термоанемометрических исследований в верхней стенке канала выполнено 10 отверстий под крепление координатного устройства датчика термоанемометра.

Для проведения опытов по визуализации режимов отекания одиночных выемок водой использовалась экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.3.236а.

Установка состоит из бака 1, который предварительно заполняется водой. Слив воды из бака может осуществляться через вентиль 21. Насосом 3 вода из бака подается к рабочему участку 4. Насос 3 оснащен гасителем гидроударов в виде емкости с воздушной прослойкой. С помощью вентилей 6 и 7 осуществляется грубое регулирование расхода. Электронагревателем 5, который представляет проточную емкость с системой водяных тэнов, осуществляется поддержа-

265

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ние заданной температуры, которая контролируется хромель–копелевой термопарой 12 с выводом показаний на милливольтметр 13. Вентилями 8 и 9 осуществляется выбор устройства для измерения расхода. Малые расходы (до 20 г/с) измеряются поплавковым расходомером (ротаметром) 10, большие расходы (от 50 до 300 г/с) – с помощью турбинного датчика расхода, показания которого через плату АЦП выводятся на монитор ПЭВМ.

Рабочий участок 4 представляет собой канал длиной 350 мм прямоугольного сечения 10×29 мм, образованного стенками из оргстекла. Прозрачные стенки необходимы для проведения визуализации. На нижнюю стенку канала наносятся выемки необходимой конфигурации и размеров. Рабочий участок соединен с магистралью через коллектора, имеющие плавные переходы с круглого сечения трудопровода на прямоугольное сечение рабочего участка с углом раскрытия не более 14º.

После рабочего участка вода собирается в накопительной баке 2, при этом вентили 16,17 и 19 закрыты. Для слива воды из бака используется вентиль 19. Для перелива воды из бака 2 в бак 2 для повторного использования через фильтр 18 открываются вентили 16 и 17.

При визуализации для подкраски течения используются тушь или чернила, которые подаются через дозирующее устройство и систему отверстий на нижней стенке рабочего участка перед выемкой. Подача красящего вещества производится как через одно отверстие, так и через несколько (до 5 отверстий). Визуализация проводилась с использованием цифровой видеокамеры Sony- DSR-TRVIIOE c 24-x кратным увеличением и цифровой фотокамеры Sony- DSС-F505V с режимом макросъемки c 10-м увеличением. Обработка результатов визуализации проводилась с использование программных продуктов Virtual Dub 1.6.0 и Microsoft Windows Movie Maker 5.1 версии 2.1.4026.1

Для проведения исследований локальных коэффициентов теплоотдачи с помощью инфракрасной съемки использовалась экспериментальная установка, изображенная на рис.3.237.

Установка состоит из аэродинамической трубы с помещенной в ней исследуемой пластиной, вентилятора с электродвигателем и блоков измерений..

Аэродинамическая труба, работающая по принципу всасывания, представляет собой канал квадратного сечения (136х136 мм). Стенки канала (короба) изготовлены из органического стекла. Равномерное распределение скорости во входном сечении аэродинамической трубы достигается за счет профилированного по формуле Витошинского входного устройства ВУ. Скорость воздушного потока регулируется с помощью шиберов Ш1 и Ш2.

Рабочий участок (рис.3.238) представляет собой тонкую пластину, изготовленную из асбоцемента. Наружная поверхность пластины обтянута с обеих сторон тонкой фольгой, изготовленной из никелевого сплава, и выполняющей роль электрического нагревателя. Фольга, электрическое сопротивление которой R=0,078 Ом, нагревается током низкого напряжения. Такая конструкция нагревателя практически исключает тепловые потери в окружающую среду.

266

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.237. Схема и внешний вид экспериментальной установки: ВУ - входное устройства; К - короб; ПЛ - пластина; НУ - натяжное устройство; Ш1 и Ш2 - шиберы; В - вентилятор; ВК, ВКН – включатель установки и насоса; ВКВ – включатель вентилятора; ИН - индикатор напряжения; АТ - автотрансформатор; В2 - вольтметр стрелочный; ТР - трансформатор понижающий; В1, В3 - вольтметр цифровой; КПТ - камера постоянных температур (сосуд Дьюара); ПТ - переключатель термопар; МВ - милливольтметр; КР – координатное устройство с трубкой полного напора и термопарой; ММ - микроманометр

267

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

кромку асбоцементной пластины. Ввиду малой толщины фольги (0,1 мм) принимается, что температура на наружной поверхности фольги равна температуре, замеренной на ее внутренней поверхности

Координаты «горячих» спаев термопар, отсчитываемые от передней кромки экспериментального участка, приведены в таблице 3.9.

Здесь i - номер термопары; xi - координата «горячего» спая; δxi - длина участка пластины, соответствующего i-ой термопаре (см. рис.3.238).

Холодные спаи термопар помещены в камеру постоянных температур КПТ (сосуд Дьюара с тающим льдом). Термо-ЭДС термопар измеряется цифровым вольтметром МВ. Подключение термопар к милливольтметру достигается термопарным переключателем ПТ. Термопары использовались для контроля температуры нагреваемой поверхности и для определения коэффициентов теплоотдачи на гладкой поверхности.

Скорость потенциального (невозмущенного) потока измеряется трубкой полного напора (трубкой Прандтля), закрепленной в координатнике КР и соединенной гибким шлангом с дифференциальным микроманометром ММ. Второй штуцер микроманометра соединен с отверстием отбора статического давления на стенке канала аэродинамический трубы, расположенным в плоскости измерительного сечения. Статическое давление измеряется водяным пьезометром П.

Температура потока измеряется температурным датчиком, представляющим собой зонд, в носике которого заделан «горячий» спай хромель-копелевой термопары. Температурный зонд закреплен в том же координатнике, что и трубка Прандтля. Ветви термопары выведены через переключатель ПТ (9-я позиция) к милливольтметру МВ.

Давление окружающей среды измеряется барометром.

Различные режимы течения и теплообмена воздушного потока при продольном обтекании пластины создаются изменением расхода воздуха с помощью шиберов Ш1 и Ш2 и изменением мощности электрического тока с помощью автотрансформатора АТ.

При исследовании распределений локальных коэффициентов теплоотдачи изготавливались поверхности с одиночными выемками или их системами. Данные поверхности накладывались и прижимались прижимными устройствами к нагреваемой пластине с обоих сторон. Для обеспечения заданной степени черноты поверхности с выемками на нее наносились покрытия (шпаклевка).

В верхней крышке рабочего участка К сделано окно для установки тепловизора. Окно организовано таким образом, чтобы при установке тепловизора не было подсоса воздуха из–вне в рабочий участок.

268