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

ГЛАВА ill

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ОМЫВАНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

III. 1. ГЛАДКИЕ И ОРЕБРЕННЫЕ КОЛЬЦЕВЫЕ КАНАЛЫ

Литературные данны,е по теплообмену продольно движущегося

ченную область применения. Нами изучался средний теплообмен непродуваемого слоя с гладкими и оребренными цилиндрами при движении в кольцевых каналах различного сечения [48, 49, 80, 86]. Это позволило выявить влияние на теплообмен условий стеснен­ ности, размеров и конфигурации поверхностей нагрева и установить границу применимости гипотезы о стержнеподобности движения.

последовательных приближений рассчитывали коэффициенты эф­ фективности ребер, а из уравнения ( V I I I . 1) — средние коэффициенты конвективного теплообмена. При определении коэффициента эф­ фективности неравномерность распределения теплоотдачи по высо­ те ребер не учитывали, так как анализ характера омывания показал, что она не может быть значительной.

Рабочий участок (рис. ІІІ . І . а) представлял собой вертикальный кольцевой канал, образованный кожухом и концентрически уста­ новленной исследуемой поверхностью — гладким или оребренным полым цилиндром. Через цилиндр (калориметр) прокачивалась охлаждающая вода, а снаружи он омывался сыпучим материалом, который двигался в кольцевом зазоре. Материал предварительно подогревали до 100—150° С, а в рабочем участке происходило его охлаждение, т. е. тепловой поток был направлен от слоя к стенке.

Геометрические характеристики гладких и оребренных каналов изменялись в широких пределах (табл. I I I . 1 )- Размеры и конфигура­ цию оребрения выбирали на основании визуальных наблюдений так, чтобы обеспечить, с одной стороны, безотрывное омывание, с дру­ гой — радиальное перемешивание частиц по сечению. Применяли ребра различной формы: прямые, волнистые, изогнутые, треуголь­ ные, наклонные (рис. I I I . 1,6, в, г). Они выполнялись либо сплошны-

54

ми по длине калориметра, либо прерывистыми с шахматным распо­ ложением при продольном шаге от 10 до 20 мм.

Характеристики сыпучего материала — частиц искусственного графита (смесь d= 1,22 мм и пять фракций — d = 3,33; 2,03; 1,44; 0,77; 0,4 мм) и кварцевого песка (смесь d = 0,4 мм) приведены в табл. П Л .

Особенности движения слоя

Влияние стесненности. Как показали результаты наблюдений и анализ эпюр скоростей, характер движения слоя в определенных пределах зависит от условий стесненности, которые характеризуют-

ся шириной относительного зазора - j - . При этом можно выделить

две области: стесненного движения (при ~ < 30), где влияние это-

55

го симплекса существенно, и нестесненного (при - j - > 30), где оно практически не сказывается, т. е. наблюдается автомодельность от-

видимого градиента скоростей по сечению и длине канала; радиаль­ ные перемещения, перемешивание частиц отсутствуют (конфигура­ ция окрашенного слоя практически неизменна). У поверхности про­ исходит некоторое торможение частиц, скорость у стенки на 10— 15% ниже, чем в ядре. В пристенной зоне наблюдаются перемеши­ вание, вращение, поперечные перемещения частиц, приводящие к локальному разрыхлению. Толщина динамических пограничных сло­ ев увеличивается с ростом размера частиц, диаметра и длины омыва­ емой поверхности (выводы о влиянии диаметра и длины цилиндра подтверждены позднее в [26]). Эпюра скоростей имеет вид усечен­ ной параболы при близком к линейному распределении в погранич­ ном слое. В области — > 30, когда относительная доля пристенных

слоев в потоке и степень торможения невелики, движение может условно считаться стержнеподобным. При значительном же тормо­ жении, имеющем место при высокой шероховатости стенок и частиц, его влияние на теплообмен необходимо учитывать.

При значениях относительного зазора 13 <: — < 30 общая кар­ тина движения сохраняется, однако появляются незначительные градиенты скорости в ядре («размывание» окрашенного слоя). Стес-

56

ность возрастает, движение все больше отличается от стержнеподоб-

От средней скорости неравномерность практически не зависит. В области -^- < 13 в связи с возрастающим влиянием трения о стен­ ки, которое распространяется до оси канала, возникают поперечные перемещения и перемешивание частиц по всему сечению, приводя­ щие к разрушению окрашенного слоя, пристенные слои как бы смы­ каются. Таким образом, в условиях стесненности гипотеза о стержнеподобном движении неприменима.

Влияние скорости сказывается в основном на движении в динами­ ческом пограничном слое: с ростом скорости его толщина несколько уменьшается, скольжение частиц у стенки сменяется быстрым вра­ щением, перемешиванием. Характер движения в ядре, распределе­ ние скоростей по сечению и степень неравномерности при этом практически не изменяются. К аналогичным выводам приводит изу­ чение движения слоя в каналах с продольным оребрением. Продоль­ ные безотрывно омываемые ребра при коридорном и шахматном рас­ положении вдоль поверхности практически не вносят изменений в поток и не создают радиального перемешивания.

Определение границы разрыва слоя. Связанное движение пото­ ка в виде плотного слоя существует только в определенных услови­ ях: при превышении некоторой (предельной или критической ѵкр) скорости, зависящей от диаметра канала, наступает разрыв слоя, переход к несвязанному режиму. Об этом свидетельствует резкое уменьшение объемного веса движущегося слоя при значениях ско­

рости V > ѵкр (гл. I I ) .

Опыты, проведенные в гладких и оребренных каналах с фракци­ онированными слоями и смесями, позволили определить предель­ ные скорости и установить границу разрыва слоя. Она определяется

определения может быть признана удовлетворительной, так как в

опытах критерий Фруда изменялся в широких пределах (1,7- \0~А — 102 ).

Возможность определения границы разрыва слоя важна при проектировании различных аппаратов для сыпучих материалов.

Определение расхода материала. В связи с отсутствием сведений

5 7

выпускного отверстия. Расход падающего слоя (режим несвязанного движения) практически не зависит от Ö 0 T B , он лимитируется живым сечением канала и возрастает с его увеличением. Стесненность дви­ жения в канале в исследованных пределах (5 < -^- < 150) не ока­ зывает влияния на расход, для гладких и оребренных каналов он практически одинаков. С увеличением размера частиц расход пада­ ет, что согласуется с литературными данными [111 и др.]. Экспери­ ментальные данные обобщены в виде зависимости

где критерий Фруда, представляющий собой безразмерный расход, подсчитан по скорости в выпускном отверстии и его диаметру. На рис. Ш . З приведена зависимость, обобщающая данные для графи­ товых частиц (фракций и смеси) и кварцевого песка и с вероятной ошибкой ± 4 , 5 % описываемая формулой

F r " 5 = 0,395 - ^ ) . (III-1)

Из уравнения (II1.1) следует, что угол естественного откоса ма­ териалов в исследованных пределах его изменения (35—48°) прак­ тически не сказывается на расходе, что подтверждается также в [111]. Определенную роль играет стесненность движения в выпуск­ ном отверстии, учитываемая симплексом Р ° т в . Наши данные были об-

58

другими величинами в безразмерном комплексе, а имеет вполне оп­ ределенный физический смысл — отражает важное для процесса гравитационного истечения соотношение сил инерции и тяжести.

Уравнение ( I I I . 1 ) описывает расход материалов с хорошими сы­ пучими свойствами через гладкие и оребренные каналы, в условиях стесненного и нестесненного связанного движения при изменении

симплекса — ^ от 8 до 200.

Теплообмен в кольцевых каналах

Результаты проведенных исследований показали, что интенсив­ ность теплообмена при продольном омывании гладких и оребренных цилиндрических поверхностей зависит от их длины и диаметра, ско­ рости слоя, условий стесненности движения. Влияние указанных факторов оказалось одинаковым для гладких и оребренных каналов. В связи с этим анализ данных проводится совместно.

Влияние скорости изучалось для плотного и падающего слоев. Д л я различных фракций и каналов с увеличением скорости теплоот­ дача возрастает, достигая при определенных значениях скорости максимума, после чего резко падает (рис. I I 1.4).

Значительная интенсификация теплообмена в области связанно­ го движения объясняется в основном снижением толщины и терми­ ческого сопротивления эффективного теплового пограничного слоя в результате уменьшения времени контакта с поверхностью. Кроме того, при увеличении скорости усиливается перемешивание, враще­ ние частиц в пограничном слое, турбулизация межзерновых газо­ вых прослоек. Темп зависимости от скорости при стесненном дви­ жении меньше, чем при нестесненном, и сохраняется одинаковым для гладких и оребренных каналов. Максимум теплоотдачи соот­ ветствует предельной скорости, превышение которой приводит к раз­

59

Д

полученные при — = 18 -f- 29 и хорошо согласующиеся с нашими. d

/ Д •

Темп зависимостей Nu = / j в первой области одинаков для раз-

L

ных значений тг- и Ре. Граница между областями определяется симплексом д

визуальных =3наблюдениях30, что соответствуетза течением величине,материала.установленной при

Д

Влияние симплекса — на теплообмен вызвано изменением струк­ туры потока — соотношения между толщинами разрыхленных при­ стенных слоев, обладающих повышенным термическим сопротивле­

нием, и ядра. В узких каналах роль пристенных слоев весьма су-

Д

щественна. Поэтому с увеличением симплекса — и уменьшением от-

60

носительной толщины пограничных слоев общее термическое со­ противление снижается. Этим и объясняется интенсификация тепло-

à

Симплекс — отражает также факт улучшения теплоотдачи с умень- d

шением размера частиц, который может быть объяснен более благо-

приятным характером движения в пристенном слое (вращение вмес­ то скольжения крупных частиц) и меньшей толщиной газовой про­ слойки (роль последнего фактора существенна только для очень коротких каналов, при незначительном времени контакта слоя с поверхностью). Обнаруженное влияние условий стесненности на теплоотдачу в первой области подтверждает сделанный выше вывод

Д

о том, что при — < 30 применение к слою зависимостей, основанных d

на представлении о стержнеподобном движении, неправомерно. При нестесненном движении в широких каналах суммарное тер­

мическое сопротивление определяется ядром потока, влияние при­

Бринн и Николаев, проводившие опыты при нестесненном движе­ нии, также не обнаружили влияния размера частиц. Не проявляется

61

чих равных условиях увеличение длины поверхности приводит к ухудшению теплообмена в связи с происходящей тепловой стабили­ зацией — увеличением толщины пограничного слоя и уменьшением

à-16- 2 0 _

т С*

Ре--М00-V -1H *

Рй-ШІПП

А

А.

температурного градиента на стенке при более медленном снижении среднего температурного напора. Некоторое ухудшение теплоотдачи имеет место и при увеличении диаметра цилиндров (L = idem), что также подтверждается данными [152, 209] для внутреннего те­ чения в цилиндрических каналах и объясняется повышением терми­ ческого сопротивления в связи с утолщением прогреваемого (ох­ лаждаемого) слоя.

Влияния формы ребер на теплообмен не обнаружено, так как характер их омывания практически одинаков: безотрывное продоль­ ное движение. При прочих равных условиях теплоотдача оребрен­ ных поверхностей ниже чем гладких. С увеличением высоты ребер теплообмен ухудшается, что учтено введением в обобщенные зави­ симости в качестве определяющего размера термического диаметра

На рис. I I I . 6 приведены зависимости критерия Нуссельта от относительной длины цилиндра для различных условий движения с использованием данных [152, 209], полученных при более высоких

L

значениях — . Все* они имеют практически одинаковый наклон и сви-

детельствуют о снижении средней интенсивности теплообмена с уве-

62