Исследование теплообмена в поворотных камерах компактных змеевиков

 

Для проектирования и расчетов теплообменных устройств с компактным змеевиком (рис. 1) необходимы данные по теплообмену поворотных камер.

Рис.1. Разрез элемента однопоточного змеевика: 1 — прямые теплообменные трубы; 2 — отсеки поворотные; 3 — коллекторные соединительные трубы; 4 — перегородки дисковые

 

Исследование выполнялось на установке, схема которой приведена на рис. 2. В корпусе 9, образующем емкость, размещены медные прямая труба 6 и четыре поворотные камеры 10 с размерами, приведенными на рис. 2,г и табл.1. При проведении экспериментов корпус заполнялся водой, которая приводилась в состояние активного кипения с помощью электронагревателя 11. Из расположенного над установкой бака постоянного уровня (на рис.2 не показан) в качестве рабочей жидкости подавалась вода в прямую трубу 6 и поочередно в каждую из четырех поворотных камер 10. При этом теплота передавалась соответственно через стенки прямой трубы и поворотных камер от кипящей под атмосферным давлением воды в корпусе 9 к потоку воды в исследуемых элементах.

Таблица 1

Конструктивные размеры поворотных камер (рисунок 2,г)

№ камеры	b, мм	с, мм	а, мм	b+2с, мм	Площадь теплопередачи F·104, м2
1	9	6	5	21	6,71
2	11,4	7,3	6,3	26	8,03
3	15,8	5,2	8,1	26,2	10,875
4	18,5	8,9	10,2	36,3	11,967

 

Рис. 2 Схема экспериментальной установки: а — продольный разрез; б — поперечный разрез; в — вид сверху; г — поворотная камера; 1 — термопары для измерения температуры потока; 2 — смесительные камеры; 3 — термометры расширения; 4 — импульсные соединительные трубки; 5 — крышка; 6 — прямая труба; 7 — термопары для измерения температуры стенки трубы; 8 — U-образный дифманометр; 9 — корпус; 10 — поворотные камеры; 11 — электронагреватель; 12 — вольтметр; 13 — амперметр; 14 — автотрансформатор; 15 — уровень воды; стрелками показано направление движения потока

 

Расход потоков воды через исследуемые элементы определялся по времени наполнения мерного сосуда, установленного в разрыв потока на выходе из элемента. Регулирование расхода воды осуществлялось с помощью вентиля на трубопроводе перед мерным сосудом.

Производились измерения температуры кипящей жидкости, температуры потока воды в смесительных камерах 2 (рис.2,а) на входе и выходе прямой трубы 6 и поворотных камер 10 с помощью термометров расширения 3. В смесительных камерах 2 дополнительно устанавливались термопары 1 типа ХК. Температура стенки прямой трубы измерялась с помощью термопар типа ХК, спаи которых зачеканивались и прижимались хомутами в девяти точках на верхней, боковой и нижней образующих трубы. Вторичным прибором для термопар служил цифровой милливольтметр типа ТРМ 101, проградуированный в оС. Градиент температуры на толщине медной прямой трубы диаметром 8х1 мм был пренебрежимо мал и при обработке опытных данных не учитывался.

Потребляемая электронагревателем мощность в экспериментах была постоянной и не изменялась.

По результатам измерений для каждого опыта определяли мощность передаваемого теплового потока по уравнению

, (1)

где G — расход воды в прямой трубе; с– теплоемкость воды; и  — температуры воды соответственно на входе и выходе трубы.

Средний коэффициент теплоотдачи потока воды со стенкой прямой трубы вычисляли по уравнению

, (2)

где средняя разность температур

 — средняя температура стенки, ;  — локальная температура в 9-ти точках на стенках трубы, измеренная с помощью термопар.

Коэффициент теплопередачи от кипящей в корпусе воды к потоку в прямой трубе вычисляли по уравнению

(4)

где δ — толщина стенки трубы.

При известных и к для каждого опыта определяли коэффициент теплообмена кипящей воды со стенкой прямой трубы по уравнению

(5)

Коэффициент теплоотдачи потока в поворотной камере определялся по уравнению

(6)

Обработка опытных данных по теплообмену в поворотных камерах привела к уравнению подобия

, (7)

где для камеры № 1 — с = 0,36 и n = 0,63, № 2 — с = 0,66 и n = 0,59, № 3 — с = 0,96 и n = 0,45, № 4 — с = 0,89 и n = 0,47.

В серии опытов установлено, что теплообмен в поворотных камерах в несколько раз превосходит по интенсивности теплообмен в прямой трубе. Наибольшее превышение наблюдается в области малых чисел Re. Интенсивность теплообмена в исследованных поворотных камерах несколько выше, чем в плавных поворотах на 180.

В исследованном диапазоне чисел Рейнольдса Re = 600 8·103 для каждой модельной поворотной камеры характер зависимости Nu = f(Re) свой и он одинаков во всем интервале чисел Re. Отсутствует свойственный потоку в прямой трубе излом зависимости Nu = f(Re) при переходе ламинарного режима течения в переходный в области Re 2300. Данное обстоятельство объясняется ранней турбулизацией потока в поворотных камерах.

Получено обобщенное эмпирическое уравнение теплообмена потока в поворотных камерах компактных змеевиков, позволяющее определять средний коэффициент теплоотдачи для интервала b/d = 1,5 2,63 в области Re = 600 8·103 с максимальной погрешностью 9 %.

 

Литература:

 

1.                Печенегов Ю. Я., Денисенко И. П. Патент РФ «Однопоточный трубчатый змеевик» № 2382973, МПК F 28 F 1/00, опубл. 27. 02. 2010, БИ № 6.
2.                Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. — М.: Энергия. 1973. 320с.
3.                Шак А. Промышленная теплопередача. — М.: Металлургиздат. 1961. 513с.