Математическое моделирование предельного гидросопротивления при интенсифицированном теплообмене для газообразных теплоносителей с переменными физическими свойствами в трубах применяемых в строительном производстве перспективных теплообменников

Mathematical modeling of the limiting hydro resistivity with intensified heat exchange for gaseous coolants with varying physical properties in pipes used in the construction of promising heat exchangers

УДК 631.371:636

18.10.2017

542

Выходные сведения:
Лобанов И.Е. Математическое моделирование предельного гидросопротивления при интенсифицированном теплообмене для газообразных теплоносителей с переменными физическими свойствами в трубах применяемых в строительном производстве перспективных теплообменников // СтройМного, 2017. №4 (9). URL: http://stroymnogo.com/science/tech/matematicheskoe-modelirovanie-prede/

Введение. Актуальность проблемы

В различных областях техники, в т.ч. в строительном производстве, широким образом используются разнообразного рода трубчатые теплообменники и теплообменные устройства, где при интенсификации теплообмена могут быть достигнуты уменьшение массогабаритных параметров при фиксированном тепловом потоке, гидравлических потерях, расхода и температуры теплоносителя. В некоторых случаях необходимо достижение снижения температурного уровня поверхности теплообмена при неизменных значениях режимных и конструктивных характеристик [21].

Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах синтезированы ещё довольно несовершенным образом.

Нередко существующие теоретические методы основываются на относительно несложные модели довольно сложных физических процессов, а принятые при этом допущения обусловливают значительную разницу между расчётом и экспериментом.

Существующие данные по эксперименту справедливы непосредственно для конкретных течений и геометрических характеристик выступов, где был проведён эксперимент. Следовательно, необходимо разработать новые, более точные, т.е. точнее существующих, теоретические методы детерминирования интенсифированного турбулентного теплообмена в каналах трубчатых перспективных теплообменных аппаратов, используемых в строительном производстве.

В настоящей научной работе понятие интенсификации теплообмена включает использование искусственных выступов на поверхности, турбулизирующих поток (в том числе, диафрагмы), кроме того, определённые типы шероховатой поверхности (рис. 0) [7, 8].

Рис. 0. Продольный разрез трубы с турбулизаторами.

Математическое моделирование подразумевает, что имеют место только двумерные выступы (трёхмерные выступы в данном исследовании не рассматриваются), что характерно для труб с диафрагмами (рис. 1), именно которые наиболее технологичны [7, 8].

Конкретная задача, решаемая в данной статье — теоретическое определение уровня интенсифицированного теплообмена (увеличение безразмерных коэффициентов теплоотдачи) данным методом, т.к. актуальность этой задачи, применение трубчатых теплообменников в строительном производстве, в том числе, жилищном строительстве, эксплуатационные и технологические особенности были рассмотрены в [9], где также была рассмотрена теория эффективности интенсифицированного теплообмена для компактных перспективных теплообменников, которые применяются в строительном производстве, теория снижения их массогабаритных характеристик, увеличения тепловой эффективности, уменьшения их гидравлических потерь, снижения температур стенок теплообменных аппаратов. Следовательно, в предлагаемом исследовании не имеется необходимости к возвращению к вышеупомянутым общим аспектам, т.к. это было существенным образом описаны в [9], где имеется также соответствующая библиография, но обострить внимание конкретно на специфических аспектах решения проблемы интенсифицированного теплообмена в этих конкретных условиях.

Cледует отметить, что в строительстве теплообменники применяются, например, при производстве бетонных и железобетонных изделий, асбестоцемента, строительной керамики, теплоизоляционных материалов и изделий, цемента, изделий из минеральных расплавов, изделий из стекла, изделий на основе минеральных вяжущих веществ, теплоизоляционных изделий, звукопоглощающих изделий. В рамках данной статьи нет необходимости подробно останавливаться технологических аспектах, поскольку они были подробно освещены в работах [10—20].

В работе [1—2] было доказано, что наилучшим с точки зрения максимальной интенсификации теплообмена являются газообразные теплоносители. Следовательно, представляет интерес влияние неизотермичности на процесс теплообмена, потому что неизотермический теплообмен может в сильной степени отличаться от изотермического, т.е. важно выяснить влияние переменности теплофизических свойств теплоносителя на предельный теплообмен. Также нужно знать влияние неизотермичности на предельное гидравлическое сопротивление.

Рассматривается следующая постановка задачи: турбулизированный поток моделируется трёхслойной схемой [1—2, 6]. Условия, при которых реализуется его предельная турбулизация, предполагаются такими же, что и для изотермического теплообмена [1—2, 6]: каждая составляющая термического сопротивления будет находиться в состоянии предельной турбулизации, а именно: вязкий подслой — его величина при любой внешней турбулизации сохраняется; промежуточная область, в среднем, — практически не может быть больше половины высоты турбулизатора; ядро потока не может быть практически турбулизировано до большей степени, чем для свободной струи. В дальнейшем нет необходимости останавливаться на характеристиках отдельных подслоёв, поскольку о них в достаточной мере указывалось в работах [1—2, 6].

В настоящей работе разрабатывается теоретическая модель, в рамках которой имела бы место возможность расчёта предельного неизотермического гидравлического сопротивления. В дальнейшем, исходя из результатов расчёта предельного неизотермического гидравлического сопротивления, можно будет осуществить моделирование предельного теплообмена для данных условий интенсификации теплообмена.

Материалы и методы. Моделирование интенсификации предельного неизотермического сопротивления

Под термином «неизотермические сопротивление и теплообмен» в рамках данной работы понимается сопротивление и теплообмен для теплоносителей с переменными теплофизическими свойствами. Соответственно, под термином «изотермический» понимаются сопротивление и теплообмен при постоянных теплофизических свойствах теплоносителя. Задача о предельных неизотермических сопротивлении и теплообмене может быть решена с применением методов, изложенных в [3—4], на основании решений о предельных изотермических сопротивлении и теплообмене, изложенных в [1—2, 6].

Моделирование сопротивления производится при следующем допущении, основанном на приведённых в [1—2] экспериментальных данных: при неизотермическом течении в условиях интенсификации теплообмена можно пренебречь очень незначительной деформацией характеристик турбулентности — отношения турбулентной и молекулярной вязкостей и турбулентного числа Прандтля. Учитывая вышеизложенное, после очевидных преобразований, можно записать для характеристики относительного сопротивления (индексы: Т — турбулентный; 0 — значения для изотермических условий; ГЛ — гладкая поверхность; С — стенка):

Результаты и обсуждение. Расчёт предельного неизотермического сопротивления

Из работ [1—2] известно, что наиболее выгодны с точки зрения интенсификации турбулентного теплообмена режимы c числом Рейнольдса порядка 10000. Следовательно, и с точки зрения предельной интенсификации неизотермического теплообмена будет интересна именно эта область, потому что при расчёте последнего используются такие же допущения о предельной заполненности подслоёв, что и при расчёте предельных изотермических сопротивлении и теплообмена. В дальнейшем будет рассматриваться только этот режим, как наиболее выгодный.

Снижение расчётных значений отношения ξ/ξ₀ при нагревании воздуха и его повышение при охлаждении газа показано на рис. 1. Как видно из рис. 1, влияние неизотермичности на предельный теплообмен довольно значительно.

Рис. 1. Зависимость отношения ξ/ξ₀ от относительной температуры стенки θ_c для воздуха при Re=10000.

Данный показатель не является максимально информативным, потому что гораздо важнее знание не отношения ξ/ξ₀, а отношения (ξ/ξ_гл)/(ξ₀/ξ_гл0), потому что коэффициент гидравлического сопротивления для гладкой поверхности также изменяется при неизотермическом теплообмене. Зависимость ξ_гл
от относительной температуры стенки подробно изучена в [5], что позволило определить отношение (ξ/ξ_гл)/(ξ₀/ξ_гл0).

Относительный рост гидравлического сопротивления выше для случая предельной интенсификации неизотермического теплообмена при охлаждении газа и ниже для нагревания газа (рис. 2), чем у гладкой трубы.

Рис. 2. Зависимость отношений ξ/ξ₀ и ξ_гл/ξ_гл0
от относительной температуры стенки θ_c для воздуха при Re=10000.

Следовательно, режим нагревания газа благоприятен с точки зрения гидравлического сопротивления (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость отношения (ξ/ξ_гл)/(ξ₀/ξ_гл0) от относительной температуры стенки θ_c для воздуха при Re=10000.

Основные выводы

В данном исследовании теоретически решена задача расчета предельных неизотермических значений гидравлического сопротивления при турбулентном течении в каналах за счет турбулизации потока. получены расчетные результаты по предельным характеристикам гидравлического сопротивления для широкого диапазона относительной температуры стенки.

Метод, разработанный в данном исследовании, с более высокой точностью позволяет прогнозировать резервы интенсификации неизотермического теплообмена.

Важным выводом относительно полученных в рамках данного исследования результатов теоретического расчёта следует признать относительную практическую незначительность влияния неизотермичности на предельное гидравлическое сопротивление, потому что применяемые в современных теплообменных аппаратах температурные перепады, как правило, относительно невелики.

1. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Исследование предельной интенсификации теплообмена в трубах за счёт искусственной турбулизации потока // Теплофизика высоких температур. — 2002. — Т.40. — № 6. — С.958—963.
2. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Предельная интенсификация теплообмена в трубах за счет искусственной турбулизации потока // Инженерно-физический журнал. — 2003. — Т.76. — № 1. — С.46—51.
3. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование неизотермических теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена // Теплоэнергетика. — 2003. — № 3. — С.27—31.
4. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей с переменными физическими свойствами в условиях интенсификации теплообмена // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. — М., 2002. — С. 144—147.
5. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалёв С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 470 с.
6. Мигай В.К. О предельной интенсификации теплообмена в трубах за счёт турбулизации потока // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1990. — № 2. — С. 169—172.
7. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К.Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З.Копп и др. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 408 с.
8. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. — М.: Машиностроение, 1990. — 208 с.
9. Лобанов И.Е. К вопросу применения интенсификации теплообмена в теплообменниках современного производства строительных материалов // Электронный научный журнал «Исследования технических наук». — 2014. — Выпуск 4(14). — Октябрь–Декабрь. — С. 3—8.
10. Ткачёв В.В. Энергоэффективная технология и оборудование для производства цементного клинкера // Сухие строительные смеси. — 2011. — № 4. — С. 36—39.
11. Иващенко Ю.Г., Багапова Д.Ю. Состояние цементной промышленности и вопросы её энергоэффективности // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. — 2016. — № 7. — С. 152—156.
12. Зинченко С.М., Пешкова Д.А. Перспективы применения цементов низкой водопотребности // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. — 2016. — № 7. — С. 136—139.
13. Исследование процессов клинкерообразования в присутствии доменного шлака / Д.Э.Авозходжаева, Е.С.Дубинина, Б.Е.Джакипбаев, А.С.Колесников // современный научный вестник. — 2016. — Т. 11. — № 1. — С. 181—184.
14. Дворкин Л.И., Степасюк Ю.А. особобыстротвердеющие высокопрочные бетоны // Технологии бетонов. — 2016. — № 5–6. — С. 49—53.
15. Хардер Й. Тенденции изменения мощностей по производству цемента и клинкера // Цемент и его применение. — 2016. — № 1. — С. 92—95.
16. Сулименко Л.М. Общая технология силикатов. — М.: ИНФРА-М, 2004. — 336 с.
17. Получение портландцементного клинкера по прямоточной схеме / Теляшев Э.Г., Хайрудинов И.P., Жирнов Б.С., Арпишкин И.М., Рябинина О.М. // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. — 2015. — № 11. — С. 12—18.
18. Рабухин А.И. Основы технологии керамики и огнеупоров. — М.: РХТУ им. Менделеева, 2001. — 112 с.
19. Бабаев Н.Х. Некоторые особенности теплотехнических зависимостей, проявляющихся при обжиге клинкера во вращаяющихся печах // Современные проблемы науки и производства. — 2015. — № 2(6). — С. 1—11.
20. Шолль А., Шмидт Д. Контролируемое испарительное охлаждение корпуса печи // Цемент и его применение. — 2016. — № 4. — С. 82—87.
21.Kapitonov I.A., Voloshin V.I. Strategic directions for increasing the share of renewable energy sources in the structure of energy consumption // International Journal of Energy Economics and Policy. 2017. Т. 7. № 4. P. 90-98.