Mathematical modeling of hydraulic resistance in pipes with turbulators for heat carriers in the form of a drop liquid with variable properties for perspective heat exchangers of the modern construction industry
УДК 536.26:629.7
01.06.2018
369
Выходные сведения:
Лобанов И.Е. Математическое моделирование гидравлического сопротивления в трубах с турбулизаторами для теплоносителей в виде капельной жидкости с переменными свойствами для перспективных теплообменников современной строительной индустрии // СтройМного, 2018. №2 (11). URL: http://stroymnogo.com/science/tech/teoreticheskoe-matematicheskoe-mode/
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; моделирование; интенсификация; труба; поток; турбулизация; теплоноситель; капельная жидкость; теплофизические свойства; переменный; теплообменный аппарат; строительные материалы
Keyword:
heat exchange; modeling; intensification; trumpet; flow; turbulization; coolant; drip fluid; thermophysical properties; variable; heat exchanger; сonstruction materials
Аннотация:
B данной статье была разработана аналитическая теоретическая модель для расчёта значений гидравлического сопротивления в условиях интенсификации теплообмена в трубах перспективных теплообменных аппаратов строительной индустрии за счёт турбулизации потока для теплоносителей в виде капельных жидкостей с переменными теплофизическими свойствами. Аналитическая модель справедлива для теплоносителей в виде капельных жидкостей 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 данной статьи результатов теоретического расчёта предельного гидравлического сопротивления для теплоносителей в виде капельных жидкостей следует признать относительно практически небольшое влияние неизотермичности на гидравлическое сопротивление, поскольку применяемые в современных теплообменных аппаратах современного строительного производства температурные перепады, как правило, относительно невелики. Опираясь на результаты аналитических расчётов предельного неизотермического гидравлического сопротивления для теплоносителей в виде капельных жидкостей на основе разработанной в статье математической модели, можно в дальнейшем осуществить моделирование тепловых и гидравлических характеристик для перспективных теплообменников строительной индустрии. Аналитическая модель описывает соответствующие процессы для широкого диапазона определяющих параметров, что позволяет прогнозировать резервы интенсификации теплообмена и гидравлического сопротивления для теплоносителей в виде капельных жидкостей с переменными теплофизическими свойствами в тех областях, где ещё не имеется надёжных экспериментальных данных. Теоретические расчётные данные позволяют сделать вывод, что использование турбулизаторов потока в целях интенсифицирования теплоотдачи в трубах теплообменных аппаратов, которые применяются в современной индустрии стройматериалов, достаточно эффективно с точки зрения оптимизации их гидравлического сопротивления, улучшения его массогабаритных показателей.
Annotation:
In this paper, an analytical theoretical model has been developed for calculating the values of hydraulic resistance in conditions of intensification of heat exchange in pipes of perspective heat exchangers in the construction industry due to the turbulence of the flow for heat carriers in the form of liquid droplets with variable thermophysical properties. The analytical model is valid for heat carriers in the form of liquid droplets 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 hydraulic resistance for heat carriers in the form of dropping liquids is the relatively small effect of non-isothermicity on hydraulic resistance, because the temperature differences, used in modern heat exchangers of modern construction, are generally relatively small. Based on the results of analytical calculations of the limiting non-isothermal hydraulic resistance for coolants in the form of drip fluids based on the mathematical model developed in the article, it is possible to further simulate the thermal and hydraulic 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 intensification of heat transfer and hydraulic resistance for heat carriers in the form of dropping liquids with variable thermophysical properties in those areas where reliable experimental data are not yet available. Theoretical calculation data allow us to conclude that the use of flow turbulators in order to intensify heat transfer in the tubes of heat exchangers used in the modern building materials industry is quite effective from the point of view of optimizing their hydraulic resistance and improving its weight and dimensions.
Введение. Актуальность проблемы
Во-многих отраслях техники, в частности, в современных производствах строительных материалов, всецело применяются различные теплообменные аппараты, где, в результате интенсифицирования теплообмена, может иметь место снижение их массогабаритных показателей при постоянстве теплового потока, гидравлических потерь, расходе, температурах теплоносителя. В некоторых случаях задача заключается в получении необходимого температурного уровня стенок поверхности теплообмена при необходимых режимах и конструкции теплообменника [18—24].
В современной индустрии строительных материалов, довольно широко применяются многочисленные теплообменные аппараты, где, при применении интенсификации теплоотдачи, могут быть достигнуты снижение их массогабаритных показателей при заранее заданных тепловых потоках, гидропотерях, расходах и температурах теплоносителя, а в некоторых случаях задача заключается в получении необходимых температур стенок поверхностей теплообмена при заданных конструктивных и режимных параметрах.
Способы интенсификации теплоотдачи детерминируются особенностями и режимами течений, а также параметрами рабочего теплоносителя.
Ещё одним дополнительным аспектом обоснования необходимости использования перспективных теплообменников в современном перспективном производстве строительных материалов является следующее.
Анализ технологических процессов, применяемых в современной индустрии строительных материалов, позволяет заключить, что реализуемые в этих процессах температурные интервалы достаточно широки, следовательно, чтобы обеспечит необходимую точность и надёжность необходимых температурных режимов нужно использовать теплообменники трубчатого типа с интенсифицированной теплоотдачей, имеющие стойкие характеристики теплообмена в большом диапазоне температур. Использование вышеуказанного вида теплообменных аппаратов может улучшить ремонтопригодность применяемого в индустрии строительных материалов оборудования.
Обоснованно установлено [1—16], что существующие теплофизические параметры теплоносителей и теплопередающих труб, используемых в трубчатых теплообменниках, могут позволить обеспечить температурные режимы в современных производствах стройматериалов с большой точностью и надёжностью, т.к. основные параметры рабочих тел (теплоносителей) и труб значительно шире требуемых вышеизложенных температурных режимов, которые являются неотъемлемой составляющей современной индустрии стройматериалов.
Исходя из вышеизложенного, следует резюмировать следующее: на современном этапе развития индустрии стройматериалов задача достижения требуемых термических режимов, которые являются составной частью технологического процесса, с повышенной точностью, надёжностью, со сниженными энергетическими потерями, в отличие от существующих методов, а также задача улучшения ремонтопригодности оборудования, может быть вполне успешно решена при применении трубчатых рекуперативного типа теплообменников с интенсифицированной теплоотдачей.
Материалы и методы. Применение интенсификации теплообмена для рекуператорного холодильника вращающихся печей
Использование поперечно расположенных поверхностных турбулизаторов потока (рис. 1) в теплообменниках позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс теплоотдачи при прочих равных условиях, в то время как конструктивная девиация теплообменника будет незначительна. Процесс интенсификации теплообмена можно исследовать как с экспериментальной, так и с теоретической точек зрения. Текущий момент развития математических моделей турбулентного течения и теплообмена обусловливает, что как теоретический метод, так и экспериментальный обладают определёнными специфическими преимуществами и недостатками друг перед другом, поэтому имеет место их совместное взаимодополняющее использование.