Структура вихревых зон между периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока прямоугольного поперечного сечения в каналах перспективного рекуператорного клинкерного холодильника с интенсификацией теплообмена

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).

Рис. 1. Схема рекуператорного холодильника с интенсификацией теплообмена посредством установки периодических поперечно расположенных турбулизаторов потока (1 — барабан, 2 — печь, 3 — люки, 4 — разгрузочное отверстие).

Постановка задачи исследования

Структура турбулентного потока в трубе, в которой требуется интенсифицировать теплоотдачу, в определённой мере изучена экспериментальным и теоретическим образом, что обусловливает необходимость максимального увеличения интенсивности турбулентных пульсаций в определённых областях потока, в которых это даст наибольший интенсификационный эффект. В целях успешного использования отрывных зон, необходимо знать механизм их взаимодействия с основным турбулентным потоком и механизм процессов в самой отрывной зоне. Вышеуказанные процессы весьма сложны. Основной целью данного исследования является теоретическое исследование вышеуказанных вихревых зон для труб с турбулизаторами прямоугольного поперечного сечения с помощью факторизированного конечно-объёмного метода (ФКОМ), который был успешно апробирован при расчёте подобных течений в [3—6], где основной упор был сделан на расчёт осреднённых параметров интенсифицированного течения и теплообмена. В работе рассматриваются наиболее характерные случаи применения периодических поверхностно расположенных турбулизаторов прямоугольного поперечного сечения в прямых круглых трубах [1, 2], характерных для теплообменников, применяемых в том числе и в авиационной технике, а именно: Pr=0,72; Re=10⁴¸10⁵; d/D=0,94¸0,90; t/D=0,25¸1,25 (D и d — больший и меньший внутренний диаметр трубы с турбулизаторами соответственно; t — шаг между турбулизаторами) [1, 2].

Структура вихревых зон между турбулизаторами

Достаточно рассмотреть частный случай прямоугольного поперечного сечения турбулизаторов — квадратное, поскольку они могут применяться для интенсификации теплообмена для случая, когда увеличение сопротивления не является очень важным. Для турбулизаторов другой ширины закономерности будут сходными, кроме крайних случаев: слишком узкие турбулизаторы будут больше турбулизировать ядро потока, чем пристенный слой, а для слишком широких турбулизаторов будут присутствовать закономерности, характерные для труб с поперечными кольцевыми канавками. Для остальных случаев интенсификации теплообмена структура вихревых зон будет иметь качественно сходный характер. Интенсификация теплообмена неэффективна при применении относительно высоких турбулизаторов при малых шагах между ними [3—6], поскольку особенно удлиняется рециркуляционная зона после турбулизатора, что дополнительным образом увеличивает потери и снижает интенсификацию теплообмена даже по отношению к случаю с относительно низкими турбулизаторами при прочих равных условиях. При малых шагах между турбулизаторами образующийся за прямоугольными турбулизаторами вихрь увеличивает турбулентность потока довольно далеко за турбулизатором и далеко от стенки трубы, что малоэффективно, поэтому для повышения эффективности интенсификации теплообмена необходимо использование применения больших шагов между турбулизаторами прямоугольного поперечного сечения, обеспечивающих периодические срывы и присоединения потока.

Для прямоугольных турбулизаторов с относительно большим шагом между ними генерируется система двух вихрей: до и за выступом. На верхней границе вихрей и между ними существует зона с высокой интенсивностью турбулентности в непосредственной близости к стенке. При обтекании перед выступом возникают систематические вихреобразования, на поддержание которых и диссипацию энергии в них имеют место ощутимые потери энергии. Как показали теоретические данные [10], малый шаг между турбулизаторами приводит к слиянию вихрей в один и ухудшению теплоотдачи из-за большего влияния угловых зон с низкой локальной теплоотдачей, а увеличение шага между турбулизаторами приводит к удельному росту доли поверхности между вихрями, где дополнительная турбулизация успевает заметно затухнуть.

Hаиболее важной закономерностью следует признать влияние числа Рейнольдса Re=10⁴¸10⁵ на структуру интенсифицированного потока при относительно большом шаге между турбулизаторами t/D=1,00 при постоянной относительной высоте турбулизаторов для d/D=0,94¸0,90. Можно ограничиться рассмотрением турбулизаторов с d/D=0,94, поскольку структуры вихревых зон качественно характерны и для турбулизаторов с d/D=0,90, как показали теоретические расчётные данные [10].

Как показывают расчётные линии тока, приведённые на рис. 2—5, с увеличением числа Рейнольдса на прямоугольных выступах дополнительные вихри генерируются в зонах А и Б, а затем довольно быстро растут в размерах. Здесь следует отметить, что рост анализируемых дополнительных вихревых зон происходит последовательным образом при увеличении числа Рейнольдса от состояния, где совсем отсутствует вихревая зона непосредственно над прямоугольным турбулизатором для Re=10⁴ до состояния, когда этот вихрь становится развитым при Re=10⁵ (рис. 2—5).

Рис. 2. Линии тока для трубы с турбулизаторами при Re=10⁵; d/D=0,94; t/D=1,00 для воздуха.

Рис. 3. Линии тока для углового вихря до турбулизатора.

Рис.4. Линии тока для углового вихря за турбулизатором.

Рис. 5. Линии тока для углового вихря над турбулизатором.

Вихрь A растёт более быстро до тех пор, пока его высота не достигнет двойной высоты турбулизатора (рис. 2—5). К этому времени вихрь Б будет иметь диаметр, приблизительно равный высоте турбулизатора. Затем более слабый вихрь будет генерироваться в угловой зоне за турбулизатором, а вихрь будет располагаться над турбулизатором. В дальнейшем объединённый вихрь может даже перекатываться через турбулизатор, а затем распадаться, а угловой вихрь тоже может разрастаться до размеров выступа и впоследствии распадаться. После этого в точках А и Б происходит новая генерация вихрей, следовательно, имеет место периодизация вышеуказанных процессов (рис. 2—5). Выработка турбулентности происходит на границах вихревых зон в период их развития и при распаде самих зон после их выброса. В работах [6—10] такое взаимное расположение турбулизаторов в круглых трубах классифицируется как за­крытые впадины (примерно как для t/D=0,25), полуоткрытые впадины (t/D≈0,50) и открытые впадины (t/D≈1,00): для открытых впадин имеют место чётко выраженные отрыв и присоединение потока, для закрытых — замкнутые возвратные вихреобразования; полуоткрытые впадины занимают промежуточное положение: наряду с отрывом и присоединением потока присутствует замкнутый вихрь.

Анализ вихревых зон между турбулизаторами показывает, что для более высоких турбулизаторов и при более высоких числах Re незначительное повышение относительного числа Нуссельта Nu/Nu_ГЛ сопровождаемое значительным повышением относительного гидравлического сопротивления x/x_ГЛ [3—12] по причине очень значительного влияния возвратных течений, которые могут даже натекать непосредственно на сам турбулизатор (рис. 2—5).

Основные выводы

Превалирование выработки турбулентности над диссипацией имеет место, в основном, на удаленной от стенки границе вихревой зоны, где градиент скорости, а также турбулентные напряжения, максимальны.

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.

Следовательно, применение турбулизаторов прямоугольного поперечного сечения может иметь место в случае, когда увеличение теплоотдачи важнее увеличения гидравлических потерь (особенно при увеличении числа Re до 10⁵), т.е. для Pr=0,72 при Re≈10⁴, d/D=0,94¸0,90, t/D≈1,25.

В том случае, когда необходима минимизация гидропотерь, нужно переходить к турбулизаторам гладких (плавных) очертаний (максимум выработки турбулентности располагается примерно на уровне верхней границы выступа), где гидрoпотери много меньше, что подтверждается опытными данными [1, 2].

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.