Турбулентная вынужденная конвекция и потери давления в однофазном закрученном потоке

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы. Постановка  задачи диссертации

Отличительными особенностями теплообмена в рассматриваемых в настоящей работе условиях является закрутка потока, сильный недогрев теплоносителя до температуры насыщения и односторонний нагрев. Интерпретация опытных данных возможна при полном понимании влияния на условия теплообмена каждого из перечисленных факторов. Далее подробно рассматриваются турбулентная вынужденная конвекция и потери давления в однофазном закрученном потоке, кипение и кризис теплообмена при кипении в сильно недогретом потоке и исследования, выполненные при неравномерном по периметру канала нагреве.

1.1. Турбулентная вынужденная конвекция и потери давления в              однофазном закрученном потоке

Закрученные течения нашли широкое применение в различных областях современной техники. Использование закрученных течений в основном связано с задачей интенсификации теплообмена в энергетических, химических, разнообразных промышленных установках. Разработано много способов и устройств, обеспечивающих закрутку потока теплоносителя. Первым из описанных в научной литературе способов повышения интенсивности теплообмена с использованием закрученных течений являлся способ непрерывной закрутки потока с помощью скрученной винтовой ленты в трубах водогрейных котлов [4]. Основные работы, создавшие фундаментальный задел в экспериментальном и аналитическом исследовании закрученных потоков были выполнены в 1950-60х годах. В 70-80х годах прошлого века изданы монографии, обобщающие опыт исследований закрученных течений применительно к промышленным и авиационным теплообменным устройствам [5 – 9], энергетическому оборудованию АЭС [10], вихревых камер [11] и ряд других. Несмотря на наличие достаточно большого числа зависимостей для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена в закрученном потоке, публикуется новые работ по этой тематике, как экспериментального, так и теоретического направления. Актуальность этих работ объясняется новыми техническими приложениями закрученных течений. В России, начиная с 2002 г., проводится специализированная международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках».

Закрутка потока в тепловоспринимающих элементах ITER создается вставляемыми в канал на всю длину скрученными винтовыми лентами. Режим течения теплоносителя – турбулентный. Рассмотрим исследования гидродинамики и теплообмена в однофазном турбулентном потоке, закрученном с помощью винтовых лент.

На рис. 1.1 показан разрез трубы со вставленной скрученной лентой и нанесены используемые далее характеристики t – шаг скрученной ленты (соответствует повороту ленты на 360^о) и d – толщина ленты.

Рис. 1.1. Вид трубы со вставленной скрученной лентой.

К ряду классических относится работа [12], в которой представлены результаты экспериментальных исследований теплообмена и потерь давления в закрученном однофазном потоке воды. Исследования проводились при омическом нагреве технически гладкой трубы с внутренним диаметром 4.92 мм, толщиной стенки 0.32 мм при охлаждении закрученным потоком воды с коэффициентом закрутки k = pd/t = 0.63, 0.50, 0.45, 0,30, 0.17.

На рис. 1.2 (а) представлена зависимость отношения изотермических коэффициентов гидравлического сопротивления  в закрученном и прямом потоке теплоносителя от степени закрутки ленты. Влияние температурного фактора, обусловленного перегревом стенки над среднемассовой температурой потока воды, представлено на рис. 1.2 (б). Результирующее соотношение, аппроксимирующее данные с отклонением ± 20%, имеет вид:

                                                                         (1.1)

где x₀ — коэффициент трения для прямого потока.

На рис. 1.3 представлены результаты обработки экспериментов по определению коэффициента теплоотдачи между закрученным потоком воды и стенкой трубы. За основу было принято соотношение для прямого потока в трубе и учитывались следующие поправки:

-  увеличение скорости потока воды у стенки за счёт закрутки потока;

-  центробежный эффект закрутки, способствующий вытеснению у стенки нагретой жидкости холодной, т.н. центробежная конвекция;

-  увеличение теплоотдачи за счёт эффекта оребрения из-за вставленной скрученной ленты.

С учётом вышеперечисленных факторов авторы [12] приходят к следующему выражению для коэффициента теплоотдачи в однофазном закрученном потоке с точностью соответствия экспериментальным данным ±10%:

                               (1.2)

где b- коэффициент объемного расширения.

а)

б)

Рис. 1.2. Экспериментальные данные [12] по коэффициенту трения в каналах со скрученной лентой: а) — зависимость коэффициента трения от коэффициента закрутки ленты в опытах без нагрева, б) — зависимость коэффициента трения от числа Re: o — без ленты, D - k = 0.17,   -  k= 0.63; чёрные маркеры – без нагрева, светлые маркеры – с нагревом

Рис.  1.3.  Осреднённые экспериментальные данные [12] по теплообмену в однофазном потоке воды