книги из ГПНТБ / Календерьян В.А. Теплоотдача плотного движущегося слоя и методы ее интенсификации

силась к теплоотдаче одиночного цилинрда таких же размеров и при той же скорости слоя.

Теплоотдача первого ряда, незначительно отличающаяся от данных для одиночного цилиндра, несколько ( ~ н а 20%) выше, чем последующих рядов вследствие разрыхления слоя. Это согласуется с выводами С. В. Донскова для гладкотрубных пучков [58]. Начиная со второго ряда, теплоотдача практически стабилизируется. Следу­ ет отметить, что возможное падение теплоотдачи по рядам труб из-

шается в связи с дополнительным разрыхлением материала. Однако эти изменения незначительны и лежат в пределах погрешности экс-

периментальных данных. Влияние поперечного шага ~р~ в исследо­ ванном интервале его изменения не обнаружено. В .связи с этим

V . 3. ЛОКАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

При изучении локального теплообмена с развитыми поверхнос­ тями применяются различные методы. В [35, 202] локальные коэф­ фициенты теплоотдачи определяли из уравнения теплопроводности по значениям локальных температур ребра. Недостатком этого ме­ тода является необходимость измерения температур во многих точ­ ках поверхности, что сопряжено с техническими трудностями и погрешностями, обусловленными искажением температурного поля вследствие заделки термопар в ребро. В [237] для определения а использовали специальные малогабаритные датчики теплового по­ тока, вмонтированные в необогреваемое ребро. При этом условия формирования температурного поля потока отличаются от реальных (когда обогревается все ребро), кроме того, при монтаже датчиков не удается избежать утечек тепла. В [173, 233, 254] исследования проводили при постоянной температуре поверхности ребра, созда­ ваемой путем конденсации пара в его внутренней полости. При такой методике возникают трудности в измерении количества пара, сконденсировавшегося на отдельных участках. В [235] применялся метод аналогии между тепло- и массообменом, причем локальные ко­ личества прореагировавшего вещества, по которым подсчитывали

103

локальные коэффициенты массоотдачи, определяли оптическим ме­ тодом.

В [1, 24, 165] исследования проводили при постоянном тепловом потоке, создаваемом электронагревателями различной конструкции. Локальные коэффициенты теплоотдачи определяли по среднему тепловому потоку и местному температурному напору. Последний метод представляется нам наиболее простым и надежным и исполь­ зован в наших работах.

Д л я сравнения привлекали данные по локальному теплообмену неоребренного цилиндра, приведенные в гл. IV .

На рис. V.7 приведены схемы применявшихся калориметров. Каждый из них представлял собой изготовленный из дельта-древе­ сины каркас, на поверхность которого наклеен электронагреватель— нихромовая лента размерами 5 X 0,2 мм (отдельные участки ее со­ единены последовательно). Как указано в гл. I I I , такая конструкция обеспечивает постоянство тепловыделения на всей поверхности (благодаря тщательной калибровке ленты и слабой температурной зависимости ее удельного сопротивления), сведение к минимуму пе­ ретечек тепла по каркасу и нагревателю (благодаря малому сечению ленты, ее ориентации в направлении незначительного изменения теп­ лоотдачи, низкой теплопроводности каркаса). Соблюдение условия q„ = const позволяет использовать для расчета локальных коэф­ фициентов теплоотдачи уравнение (II.4).

Оценка погрешности, связанной с изменением температуры в зазорах между ленточками, особенности выбора расчетной поверх­ ности приведены в гл. I I I . Схемы расположения и подключения тер­ мопар, измеряющих температуры поверхности ребер и основания, приведены на рис. V.7. Они давали возможность получить детальную картину распределения теплоотдачи.

По обе стороны от обогреваемого располагались холостые реб­ ра, позволившие исследовать влияние шага на локальный тепло­ обмен. Ниже приведен анализ полученных данных для каждого из типов оребрения.

Цилиндры с прямыми продольными ребрами

На рис. V.8 показано распределение локальных коэффициентов теплоотдачи по поверхности оребренного цилиндра при различных скоростях материала. Это распределение характеризуется заметной неравномерностью, обусловленной специфическим характером омывания: застойная зона (верхнее ребро и прилегающие к нему участ­ ки основания), безотрывное обтекание (экваториальные участки), зона разрыхления и отрыва слоя (нижнее ребро и участки цилиндра,

105

прилегающие к нему). Тепло через застойную зону передается тепло­ проводностью, а от ее поверхности к слоям песка, скользящим вдоль нее,— конвекцией; теплообмен участков поверхности, лежащей в зоне застоя, лимитируется ее термическим сопротивлением. По этой причине на верхнем ребре коэффициент теплоотдачи максимален у вершины, а по мере удаления от нее и увеличения толщины застойной

В кормовой части цилиндра коэффициент теплоотдачи падает вследствие некоторого разрыхления слоя. Эта зона захватывает также часть нижнего ребра, прилегающую к основанию, что обус­ ловливает невысокую интенсивность теплообмена на этом участке и ее возрастание в направлении к вершине. Дл я ориентировочного расчета изменения коэффициента теплоотдачи вдоль поверхности ребристого цилиндра могут быть использованы зависимости для безотрывного продольного обтекания с учетом дополнительного тер­ мического сопротивления на участках, занятых зонами застоя и от­ рыва слоя.

Коэффициент теплоотдачи можно подсчитать по формуле

а =

где ах — локальный коэффициент теплообмена для безотрывного

106

продольного обтекания, определяемый из уравнения (1.41); о' — текущая толщина застойной зоны, принимаемая по данным о ме­ ханике омывания цилиндра.

На рис. V.8 (линия VII) нанесены результаты соответствующего расчета для цилиндра диаметром 33,5 мм при h = 30 мм, скорости слоя 0,3 мм/сек. Учет термического сопротивления застойной зоны нарушает монотонный ход кривой, характеризующий при безотрыв­ ном движении снижение теплоотдачи вдоль поверхности. Кривая VII удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными по верхнему ребру и основанию. По нижнему ребру расчетные значения несколько завышены и в противоположность экспериментальным уменьшаются в направлении к вершине. Это объясняется тем, что при расчете не было учтено снижение эффективной теплопровод­ ности слоя из-за разрыхления у основания нижнего ребра, так как сведения о местной пористости отсутствуют.

Из приведенных данных видно, что наиболее неравномерно рас­ пределение по верхнему ребру и основанию, на нижнем ребре нерав­ номерность значительно меньше.

Описанный характер изменения интенсивности теплообмена по по­ верхности сохраняется при различных скоростях слоя и высотах ре­ бер. Однако степень неравномерности заметно увеличивается с ростом скорости (кривые / и / / , / / / и IV). Это объясняется тем, что тепло­ отдача участков с безотрывным обтеканием (верхнее и нижнее ребра у вершин, боковая поверхность основания) заметно улучшается, а на участках, лежащих в зонах застоя или отрыва слоя (основания ребер, лобовая и кормовая части цилиндра), практически не изменяется. Неравномерность возрастает и при увеличении высоты ребер (кри­ вые / и / / / ) .

Темп роста локальных коэффициентов теплоотдачи с увеличением

Д л я экваториальных участков он сохраняется таким же, как для неоребренного цилиндра (п = 0,28). Эти результаты хорошо согласу­ ются с выводами, основанными на визуальных наблюдениях за ха­ рактером обтекания цилиндра.

При наличии ребер характер распределения коэффициента теп­ лоотдачи по поверхности основания и влияние скорости на это рас­ пределение остаются практически такими же, как для неоребренного цилиндра (данные для последнего также приведены на рис. V.8 —• кривые V, VI). Сравнение показывает, что в обоих случаях с умень­ шением скорости неравномерность сглаживается. Все описанные за­

тях слоя. Интенсивность теплообмена увеличивается в направлении

107

к вершине ребра тем заметнее, чем больше его высота и скорость слоя. Это увеличение особенно значительно для верхнего ребра (кривые / и 2). Приведенные распределения коэффициентов тепло­ обмена по высоте ребер удовлетворительно описываются уравнением

грешности экстраполяции принято отношение величин при "тр = 0 , 1

X

и -д-= 0,9, где они непосредственно замерялись). Как видно из рис. Ѵ.9, степень неравномерности для верхнего ребра довольно вы­

Неравномерность увеличивается с ростом скорости слоя и высо­ ты ребер, причем это изменение особенно существенно для верхнего ребра. Это привело к необходимости раздельной обработки экспе­ риментальных данных.

Степень неравномерности может быть определена из обобщенных

б) для нижнего ребра

108

Эти зависимости, учитывающие влияние скорости слоя и гео­ метрических характеристик поверхности, применимы с вероятной

Данные по локальным коэффициентам теплоотдачи позволяют определить также средние значения для участков поверхности,

их элементов для определения средних коэффициентов теплообмена со слоем с точностью ± 4 % может быть рекомендована формула типа

а = сѵ

ЮР

часть ребра, зона отрыва — нижнюю, безотрывно омываются толь­ ко боковые поверхности. Застойная зона по форме близка к пирами­ де, толщина и ширина которой максимальны у основания ребра и уменьшаются к вершине. Размеры застойной зоны зависят от разме­ ров ребра, цилиндра и частиц, коэффициентов внешнего и внутрен­ него трения и скорости слоя. Максимальная высота этой зоны (при Ф = 0°) всегда превышает высоту ребра, которое в этом сечении це­ ликом находится в ее пределах. Наличие застойной зоны, где ма­ териал малоподвижен, приводит к ухудшению теплоотдачи в лобо­ вой части ребра. Заметное снижение коэффициентов теплообмена в направлении от вершины к основанию при ср = 0° вызвано увеличе­ нием толщины, и следовательно, термического сопротивления за­

омывается безотрывно, а основание — в ее пределах.

Высокая интенсивность теплообмена и ее незначительное изме­ нение по радиусу на боковых поверхностях обусловлены их безот­ рывным омыванием. В этой области максимум теплоотдачи также наблюдается у вершины ребра, где время контакта слоя с обогревае­ мой поверхностью минимально. В кормовой зоне на теплоотдачу у основания ребра отрицательно влияет отрыв слоя от цилиндра, а теплоотдача у вершины снижается из-за увеличенного времени кон­ такта. Изменения теплоотдачи по периметру несущего цилиндра вы­ званы теми же причинами, что и для гладкого.

Анализ показывает, что увеличение скорости слоя интенсифици­ рует теплообмен по всей поверхности ребра примерно в одинаковой степени. Исключение составляет лобовая часть ребра, где из-за наличия застойной зоны темп изменения коэффициентов теплоотда­ чи несколько ниже.

Уменьшение шага ребер в исследованном диапазоне вызывает ухудшение теплоотдачи по всей поверхности ребра и цилиндра, осо­ бенно в лобовой и кормовой областях, что свидетельствует об уве­ личении размеров зон застоя и отрыва слоя. При этом описанный вы­ ше характер распределения локальных коэффициентов теплоотдачи практически не изменяется.

На основании полученных данных была определена степень ра­ диальной и угловой неравномерности. На рис. V. 12 показано в от­ носительных координатах изменение по радиусу коэффициентов теп­ лоотдачи, усредненных по окружности. Данные, полученные при различных скоростях слоя, ложатся на одну кривую, которая сви­ детельствует о возрастании теплообмена в направлении к вершине ребра и с вероятной ошибкой ± 5 % описывается зависимостью

(V.11)

Таким образом, радиальная неравномерность в исследованном

112