The structure of vortex zones between periodic superficially located flow turbulators of a rectangular cross-sectional flow in the channels of a prospective recuperator clinker cooler with intensification of heat transfer
УДК 631.371 : 636
18.09.2017
608
Выходные сведения:
Лобанов И.Е. Структура вихревых зон между периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока прямоугольного поперечного сечения в каналах перспективного рекуператорного клинкерного холодильника с интенсификацией теплообмена // СтройМного, 2017. №3 (8). URL: http://stroymnogo.com/science/tech/struktura-vikhrevykh-zon-mezhdu-per/
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:
турбулизатор, математическое моделирование, вихревая зона, уравнение Рейнольдса, метод Ментера, теплообмен, интенсификация, теплообменный аппарат, эффективность, строительные материалы
Keyword:
sturbulator, mathematical modeling, vortex zone, Reynold’s equation, Menter’s method, heat transfer, intensification, heat exchanger, efficiency, building materials
Аннотация:
В статье проведено математическое моделирование структуры вихревых зон между периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока прямоугольного поперечного сечения на основе многоблочных вычислительных технологий, основанных на решении факторизованным конечно-объёмным методом уравнений Рейнольдса (замыкаемых с помощью модели переноса сдвиговых напряжений Ментера) и уравнения энергии (на разномасштабных пересекающихся структурированных сетках). В статье показано, что превалирование выработки турбулентности над диссипацией имеет место, в основном, на удаленной от стенки границе вихревой зоны, где градиент скорости, а также турбулентные напряжения, максимальны. Приведены линии тока, которые указывают на то, что при интенсификации теплообмена турбулизаторами прямоугольного поперечного сечения, т.е. резких очертаний, диссипация энергии, возникающая в мощных вихрях до них и за ними, может быть сравнима с выработкой турбулентности в них (кроме верхней кромки турбулизатора), что обусловливает увеличенные гидравлических потери. В статье приведён исчерпывающий анализ соответствующих линий тока, как для основного вихря, так и для вторичных вихрей как до турбулизатором, так и после турбулизатора квадратного поперечного сечения. Разработанная в статье теория интенсифицированного теплообмена позволит рассчитать уровень совершенствования массогабаритных показателей перспективных теплообменников, используемых в современном производстве строительных материалов, повысить их тепловую эффективность, снизить гидравлические потери на прокачку теплоносителя, понизить температурный уровень стенок теплообменников.
Annotation:
The mathematical modeling of the structure of vortex zones between periodic superficially placed flow turbulators of a rectangular cross-section on the basis of multi-block computing technologies based on the solution of the Reynolds equations (closed using the Menter’s shear stress transfer model) and the energy equation (on multiscale intersecting structured grids). The article shows that the prevalence of turbulence generation over dissipation takes place, basically, at the boundary of the vortex zone far from the wall, where the velocity gradient, as well as the turbulent stresses, are maximal. Current lines are shown, which indicate that when heat exchange is intensified by turbulators of a rectangular cross section, i.e. sharp outlines, energy dissipation that occurs in powerful vortices before and behind them, can be compared with the generation of turbulence in them (except for the upper edge of the turbulizer), which causes increased hydraulic losses. The paper gives an exhaustive analysis of the corresponding streamlines, both for the main vortex and for secondary vortices, both before the turbulizer and after the square cross-section turbulence. The theory of intensified heat exchange developed in the article will make it possible to calculate the level of improvement in the mass-dimension parameters of prospective heat exchangers used in modern production of building materials, increase their thermal efficiency, reduce hydraulic losses in pumping the coolant, and lower the temperature level of the walls of heat exchangers.
Введение
Наряду с различными отраслями техники, в современным производстве строительных материалов нередко применяются различные теплообменные аппараты и теплообменные устройства, в которых, в итоге применения интенсифицированного теплообмена, может быть уменьшение их массогабаритных характеристик при равном тепловом потоке, гидравлических потерях, расходе, температур теплоносителей. По-другому задача ставится следующим образом: получить необходимый температурный уровень стенки поверхности теплообменного аппарата при обеспечении необходимых режимов и конструкционных особенностях теплообменника [11—20].
Метод интенсификации теплообмена детерминируется характером и режимами течения, теплофизическими свойствами рабочего теплоносителя (например, числом фаз, числами Прандтля, Рейнольдса, и др.).
Применение теплообменников с интенсифицированным теплообменом в производстве стройматериалов крайне актуально на современном этапе, так как позволит реализовывать необходимые температурные режимы, присущие технологическому процессу при более высокой точности, надёжности, при меньших энергопотерях при более высокой ремонтопригодности оборудования, чем это позволяют сделать существующие методы.
В современном производстве строительных материалов применяются как рекуператорные, так и регенераторные теплообменные аппараты [20].
Теплообменные аппараты применяются, в том числе, в технологическом производстве бетонных и железобетонных изделий, асбестоцемента, строительной керамики, изделий из стекла, цемента, теплоизоляторов, изделий из минеральных расплавов, основе минеральных вяжущих веществ, теплоизоляционных изделий, звукопоглощающих изделий [11—21].
Решаемая в статье теоретическая задача заключается в следующем: математическое моделирование интенсифицированного теплообмена в каналах теплообменных аппаратов, применяемых в современном производстве стройматериалов в целях улучшения их эффективности и снижения массогабаритных показателей.
В современном производстве стройматериалов широко применяются многочисленные теплообменники, в которых применение интенсифицированного теплообмена может привести к снижению их массогабаритное при заданных тепловых потоках, гидравлических потерях, расходе и температуре теплоносителя; в определённых случаях задача заключается в получении нужных температур стенок теплообменных поверхностей при наперёд заданной конструкции и режима течения.
Обоснование необходимости применения перспективных теплообменных аппаратов в современном перспективном производстве строительных материалов состоит, в основном, в следующем.
Анализ технологических процессов, реализуемых в современной индустрии строительных материалов, позволяет прийти к заключению, что используемые в этих процессах температурные интервалы довольно широки, поэтому, чтобы обеспечить необходимую точность и надёжность используемых температурных интервалов необходимо использовать теплообменники трубчатого типа с интенсифицированным теплообменом, имеющие практически неизменные характеристики теплообмена в широком диапазоне температур. Применение данного вида теплообменников может улучшить также ремонтопригодность применяемого в индустрии строительных материалов оборудования.
Существующие теплофизические характеристики теплоносителей и теплопередающих труб, которые используются в трубчатых теплообменниках, могут обеспечить температурные режимы в современной индустрии стройматериалов с большей точностью и надёжностью, поскольку основные рабочие параметры рабочих тел и труб гораздо шире, чем требуемые температурные режимы, являющиеся неотъемлемой частью современной индустрии стройматериалов, что было ранее обосновано в [1—8].
Резюмируя вышеприведённые сведения, можно сказать: на современном этапе развития производства строительных материалов задача достижения требуемых температурных режимов, являющихся составной частью технологического процесса, с повышенной надёжностью, точностью, с пониженными энергетическими потерями, а также задача повышения ремонтопригодности оборудования, в отличие от имеющихся методов, может успешно решаться с помощью применения трубчатых теплообменных аппаратов рекуперативного типа с интенсифицированным теплообменом.
Один из известных и хорошо апробированных на практике способов вихревой интенсификации теплообмена связан с нанесением периодических выступов на стенки омываемых поверхностей [1]. Исследование структуры интенсифицированного потока, в основном, проводится экспериментальными методами [1, 2], в то время как современные расчётные работы по этой тематике относительно немногочисленны [3, 4, 5, 6] и частично посвящены собственно структуре интенсифицированного потока; некоторые из методов (напр., определённая часть работ [6, 7, 8, 9, 10]) используют только интегральные подходы к данной проблеме. В последние годы интенсивно развиваются многоблочные вычислительные технологии для решения задач вихревой аэромеханики и теплофизики, базирующиеся на пересекающихся структурированных сетках. Данная работа непосредственно посвящена исследованию структуры потока в трубе, не рассмотренному ранее, интенсифицированного поверхностными периодически расположенными турбулизаторами прямоугольного поперечного сечения, что может быть характерно, например, для рекуператорного холодильника с интенсификацией теплообмена (рис. 1).