An analytical solution of the problem of limiting intensification of heat exchange in pipes with turbulators for gaseous coolants with variable thermophysical properties for heat exchangers used in the modern construction industry
УДК 532.517.4 : 536.24
12.01.2018
424
Выходные сведения:
Лобанов И.Е. Aналитическое решение задачи предельной интенсификации теплообмена в трубах с турбулизаторами для газообразных теплоносителей с переменными теплофизическими свойствами для теплообменных аппаратах, используемых в современной строительной индустрии // СтройМного, 2018. №1 (10). URL: http://stroymnogo.com/science/economy/analiticheskoe-reshenie-zadachi-pre/
Авторы:
Лобанов Игорь Евгеньевич
д.т.н., ведущий научный сотрудник ПНИЛ—204, ФГБОУ Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Российская Федерация (125993 Россия, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4), e-mail: lloobbaannooff@live.ru
Authors:
Lobanov Igor Evgenevich
Dr.Sci.Tech., leading research assistant PNIL–204, FGBOU the Moscow aviation institute (national research university), Moscow, the Russian Federation (125993 Russia, Moscow, Volokolamsk highway, 4), e-mail: lloobbaannooff@live.ru
Ключевые слова:
теплообмен; аналитический; моделирование; предельный; интенсификация; труба; поток; турбулизация; теплоноситель; газообразный; теплофизические свойства; переменный; теплообменный аппарат; строительные материалы
Keyword:
heat exchange; analytical; modeling; limiting; intensification; trumpet; flow; turbulization; coolant; gaseous; thermophysical properties; variable; heat exchanger; сonstruction materials
Аннотация:
B данной статье была разработана аналитическая теоретическая модель для расчёта предельных значений осреднённого теплообмена в условиях его интенсификации в трубах перспективных теплообменных аппаратов строительной индустрии за счёт турбулизации потока для газообразных теплоносителей с переменными теплофизическими свойствами. В статье была разработана аналитическая модифицированная теоретическая модель для расчёта предельных значений теплообмена в условиях его интенсификации в трубах за счёт турбулизации потока для газообразных теплоносителей с переменными теплофизическими свойствами. Аналитическая модель справедлива для газообразных теплоносителей с монотонно изменяющимися теплофизическими характеристиками. Аналитическая модель описывает соответствующие процессы для широкого диапазона чисел Рейнольдса и Прандтля, что позволяет ещё точнее прогнозировать резервы интенсификации неизотермического теплообмена. Важнейшим выводом относительно полученных в рамках данного исследования результатов теоретического расчёта предельного теплообмена следует признать относительную практическую незначительность влияния неизотермичности на осреднённый предельный теплообмен, поскольку применяемые в современных теплообменных аппаратах современного строительного производства температурные перепады, как правило, относительно невелики. Аналитическая математическая модель справедлива для газообразных теплоносителей с монотонно изменяющимися теплофизическими характеристиками. Аналитическая модель описывает соответствующие процессы интенсифицированного телеобмена для широкого диапазона чисел Рейнольдса и Прандтля, что позволяет прогнозировать резервы интенсификации неизотермического теплообмена, в том числе, в перспективных трубчатых теплообменниках с интенсифицированным теплообменом для современного строительного производства. Опираясь на результаты аналитических расчётов предельного неизотермического осреднённого теплообмена на основе разработанной в статье математической модели, можно в дальнейшем осуществить моделирование тепловых характеристик для перспективных теплообменников строительной индустрии. Аналитическая модель описывает соответствующие процессы для широкого диапазона определяющих параметров, что позволяет прогнозировать резервы интенсификации теплообмена для теплоносителей с переменными теплофизическими свойствами в тех областях, где ещё не имеется надёжных экспериментальных данных. Ранее решения данной задачи были только численными, справедливыми только для ограниченного определяющего диапазона, поэтому полученные в работе аналитические решения имеют перед ними известное преимущество.
Annotation:
In this article, an analytical theoretical model has been developed for calculating the limiting values of the average heat transfer in the conditions of its intensification in the pipes of perspective heat exchangers in the construction industry due to flow turbulence for gaseous coolants with variable thermophysical properties. The article developed an analytical modified theoretical model for calculating the limiting values of heat transfer in conditions of its intensification in pipes due to flow turbulence for gaseous coolants with variable thermophysical properties. The analytical model is valid for gaseous coolants with monotonously varying thermophysical characteristics. The analytical model describes the corresponding processes for a wide range of Reynolds and Prandtl numbers, which makes it possible to more accurately predict the reserves of intensification of nonisothermal heat transfer. The most important conclusion regarding the results of the theoretical calculation of the limiting heat transfer obtained in the framework of this study is the relative practical insignificance of the effect of non-isothermicity on the averaged limiting heat transfer, since the temperature differences used in modern heat exchangers of modern construction production are generally relatively small. The analytical mathematical model is valid for gaseous coolants with monotonously varying thermophysical characteristics. The analytical model describes the corresponding processes of intensified teleexchange for a wide range of Reynolds and Prandtl numbers, which makes it possible to predict the reserves of intensification of non-isothermal heat exchange, including in promising tubular heat exchangers with enhanced heat exchange for modern construction production. Based on the results of analytical calculations of the limiting non-isothermal averaged heat transfer based on the mathematical model developed in the article, it is possible to further simulate thermal characteristics for promising heat exchangers in the construction industry. The analytical model describes the corresponding processes for a wide range of determining parameters, which makes it possible to predict the reserves of heat exchange intensification for heat carriers with variable thermophysical properties in those areas where reliable experimental data are not yet available. Previously, the solutions to this problem were only numerical, valid only for a limited defining range, so the analytical solutions obtained in this work have a certain advantage over them.
Введение
С точки зрения максимальной (предельной) интенсификации теплообмена самыми наилучшими являются газообразные теплоносители [1—2].
Выявление влияния непостоянства теплофических свойств теплоносителя на предельный теплообмен представляется очень важным, поскольку неизотермический предельный теплообмен может значительно отличаться от изотермического. Абсолютно то же самое можно сказать относительно влияния неизотермичности на предельное гидравлическое сопротивление.
Для постановки задачи исследования искусственно турбулизированный поток моделируется трёхслойной схемой [1—2, 6].
Реализация предельной турбулизации теплообмена предположительно такая же, как и при изотермическом предельном теплообмене [1—2, 6] — каждая отдельная составляющая термического сопротивления находится в предельной турбулизации, — а конкретнее: величина вязкого подслоя при любой внешней турбулизации не изменяется; в среднем, величина промежуточной (буферной) области приравнивается не более чем полувысоте турбулизатора; турбулизация турбулентного ядра потока составляет не более чем турбулизация свободной струи.
Исчерпывающие данные относительно отдельных характеристики подслоёв подробно описываются в работах [1—2, 6].
В данной конкретной статье аналитическим образом решается задача расчёта предельного неизотермического теплообмена, исходя из уже предварительно полученных результатов расчёта предельного неизотермического гидравлического сопротивления.
Материалы и методы. Интенсифицированный теплообмен для рекуператорного холодильника вращающихся печей
Использование поперечно расположенных поверхностных турбулизаторов потока (рис. 1) в теплообменниках строительного производства позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс теплоотдачи при прочих равных условиях, в то время как конструктивная девиация теплообменника будет незначительна. Интенсификацированный теплообмена можно исследовать как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения. На данный момент развития математических моделей турбулентного течения и теплообмена обусловливает то, что как теоретический метод, так и экспериментальный обладают определёнными специфическими преимуществами и недостатками друг перед другом, поэтому имеет место их совместное взаимодополняющее использование.