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