Теплообмен при однофазной вынужденной конвекции

Глава 4. Теплообмен при однофазной вынужденной конвекции

4.1. Опытные данные

При проведении экспериментальных исследований теплообмена при однофазной вынужденной конвекции для каждого шага закрутки при фиксированных значениях подводимой нагрузки и температуры воды на входе в рабочий участок варьировался массовый расход воды через рабочий участок. По достижении стационарных параметров теплообмена, что контролировалось по показаниям термопар, размещенных в мишени рабочих участков и термопары, измеряющей температуру воды на выходе из рабочего участка, производилась запись в файл не менее 10 циклов опросов всех датчиков. Затем в табличном редакторе выполнялся расчет осредненных значений результатов измерений. Далее для всего массива данных о конвективном теплообмене по методике прямой обработки температурных измерений, представленной в главе 2, были определены температуры и рассчитана плотность теплового потока в лобовой точке внутреннего периметра для РУ №1 и №2. Для данных, полученных на участке №3, использовалась методика численного решения краевой задачи теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи вычислялся по разности температур стенки и среднемассовой температуры воды в сечении расположения термопар. Для всех скрученных лент опытные данные о конвективном теплообмене получены при нескольких фиксированных значениях подводимой тепловой нагрузки, большая часть экспериментальных данных для РУ №1 получена при плотностях теплового потока q» 2, 3 и 4,5 МВт/м². На рис. 4.1 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи в лобовой точке от массовой скорости воды для данных, полученных на РУ №1 и №2. Исследования проведены в диапазоне массовых скоростей rw=1000 - 24000 кг/(м²×с), для лент с коэффициентом закрутки потока для рабочего участка № 1  k = 0.90, 0.66, 0.39, 0.25 и 0 (прямая лента), а также для трубы без ленты; для рабочего участка №2 при k = 0.37 и 0.19 и для трубы без ленты; для рабочего участка №3 при k = 0.49 и без ленты. Для последующего анализа использованы опытные данные, полученные на РУ №1 и №2.

Рис. 4.1. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи от массовой скорости воды для различных коэффициентов закрутки

Расслоение точек на рис. 4.1 объясняется, прежде всего, различием коэффициентов закрутки потока и диаметра канала. При фиксированной массовой скорости отношение коэффициентов теплоотдачи для РУ № 1 при наибольшем коэффициенте закрутки k = 0.90 и при k = 0 (прямая лента) составляет 1.8. Это отношение меньше отношения соответствующих коэффициентов гидравлического сопротивления (см. рис 3.7), что логично объясняется наличием ленты, приводящей к увеличению поверхности трения, но практически не участвующей в теплообмене.

По данным рис. 4.1 a~(rw)^0,6. Менее сильную зависимость a (rw) в сравнении с обычной для турбулентного теплообмена в каналах, естественно связать с  изменением свойств жидкости и с влиянием начального термического участка.

При представлении опытных данных по однофазному теплообмену влияние свойств жидкости обычно исключают, используя координаты (Nu/Pr^0.4, Re). На рис. 4.2 представлен массив опытных данных рис. 4.1, соответствующих закрученному потоку, в данных координатах. Число Re для закрученного потока определялось по эффективной скорости потока (см. формулу (3.13)) и гидравлическому диаметру канала. Вязкость жидкости определялась по температуре отнесения (см. формулу (3.15)), рассчитанной по методике, описанной в разделе 3.2. Для числа Nu, которое вычисляется по локальному коэффициенту теплоотдачи и гидравлическому диаметру d_г, коэффициент теплопроводности жидкости слабо изменяется в исследуемом диапазоне температур и определяется по температуре стенки в лобовой