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

Определяющими параметрами являются диаметр цилиндра, скорость слоя в минимальном сечении и его средняя температура. Средний размер частиц смесей определен по уравнению (П.7), что

сыпучими свойствами имеющихся данных недостаточно. В связи с

та на теплоотдачу, можно преобразовать уравнение (VI.2), введя в

него в качестве определяющего критерий Фурье,

мостей типа (IV.2)—(IV.4), учитывающих реальные условия омывания цилиндра, с расчетными, полученными при рассмотрении слоя как неограниченного массива с цилиндрической полостью. Экспе­

что теплоотдача в зонах застоя и отрыва слоя низка и незначитель­

ного материала — смеси, фракционный состав которой приведен в

лежат в пределах погрешности экспериментов. Существенные ка­ чественные и количественные различия обнаруживаются при срав-

84

нении с данными 11301 для сухих материалов: согласно ИЗО] влия­ ние на теплоотдачу критерия Пекле меньше, а симплекса-^- больше,

чем по уравнению (IV.2), влияние же диаметра цилиндра противо­ положно. В связи с этим количественные расхождения зависят от этих параметров и для принятых условий достигают 100% (при этом зависимости Ю. П. Курочкина систематически ниже наших).

В целом эти выводы остаются справедливыми независимо от фракци­ онного состава материала. Указанные обстоятельства не позволяют рекомендовать приведенную в [1301 зависимость для расчетов, тем более, что она противоречит прямым опытным данным для мелко­ дисперсных материалов ^при ~ > 2о) о влиянии диаметра цилинд­ ра на теплоотдачу.

IV. 2. НАКЛОННЫЕ ЦИЛИНДРЫ

Приведенные выше результаты свидетельствуют о качественных различиях в характере продольного и поперечного омывания, при­ водящих к неодинаковому влиянию на теплообмен определяющих факторов. Д л я более полного раскрытия физической картины и за­ кономерностей этого перехода было предпринято исследование про­ цесса теплообмена с наклонными цилиндрами, который протекает в промежуточных условиях. Данные эти необходимы т а к ж е для расче­

от 70 до 120. Температуру поверхности измеряли 12 медь-кон-

стантановыми термопарами в четырех сечениях по длине и в трех точках (лобовой, кормовой и экваториальной) по окружности ци­ линдра. Это позволило не только повысить точность определения среднего коэффициента теплоотдачи, но и получить качественную картину распределения локальных значений. Количественная оцен­ ка последних в данном случае сопровождается определенными по­ грешностями, вызванными перетечками тепла в стенках цилиндра.

Анализ первичных экспериментальных данных показывает, что

85

во всем диапазоне скоростей при уменьшении угла атаки средняя интенсивность теплообмена падает, а темп ее зависимости от скорос­ ти повышается. Поэтому различие коэффициентов теплообмена осо­ бенно существенно при низких скоростях. Увеличение диаметра ци­ линдра при прочих равных условиях оказывает отрицательное вли­ яние на теплообмен.

Обобщение экспериментальных данных производилось в такой

Ре = idem, причем г|) принят в качестве параметра. Увеличение сим­ плекса интенсифицирует теплообмен, но с уменьшением угла ата­ ки это влияние сглаживается и при *ф = 30° практически исчезает. Аналогичные результаты получены при различных значениях кри­ терия Пекле.

Зависимость интенсивности теплообмена от критерия Пекле оп­ ределяется углом атаки и с уменьшением последнего становится бо­ лее существенной (рис. IV.7).

Все зависимости, приведенные на рис. ІѴ.7, описываются кри­ териальным уравнением вида

NÜ = cPen g)m , (IV. 5)

где с, п, m — переменные величины, зависящие от тр.

При больших углах атаки структура уравнения (ІѴ.5) такова же, как (ІѴ.2) для поперечного омывания, при малых углах — анало­ гична приведенной выше для продольного омывания при нестеснен­ ном движении. Таким образом, изменение угла атаки приводит не только к количественным, но и к качественным различиям.

Описанные явления объясняются изменением характера движе­ ния и, следовательно, теплообмена при переходе от поперечного омы-

86

вания к продольному. Как показано выше, для горизонтального ци линдра увеличение скорости наиболее существенно интенсифициру­ ет теплообмен на участках безотрывного движения, изменения же в лобовой и кормовой зонах незначительны. Это и обусловливает сравнительно слабую зависимость среднего коэффициента теплоот­ дачи от скорости слоя (критерия Пекле). В этом случае важную роль

мена носят промежуточный характер, включая особенности и по­ перечного и продольного омывания. При больших углах атаки пре­ обладают первые, при малых — вторые, что и отражает формула (IV.5). Ухудшение теплоотдачи при уменьшении угла атаки можно объяснить увеличением времени контакта слоя с поверхностью из-за того, что слой не только омывает наклонный цилиндр по периметру,

ны к соответствующей величине для той же точки и той же скорости

ных точек цилиндра (лобовая, кормовая и экватор) темп изменения теплоотдачи по длине практически одинаков и, следовательно, вы­ зван тем же эффектом «сползания», который, очевидно, имеет место по всему периметру. Аналогичные результаты получены и при дру­ гих скоростях слоя, диаметрах цилиндров.

87

Существенного изменения в характер распределения коэффи­ циентов теплоотдачи по периметру наклон цилиндра не вносит: степень неравномерности и расположение максимума и минимума практически одинаковы (правда, здесь может сказаться выравниваю­ щее действие перетечек тепла в стенке, не позволившее уловить эти изменения).

Из всего вышеизложенного следует, что постепенное изменение закономерностей процесса позволяет описать теплообмен плотного

MJ 1

слоя с наклонными цилиндрами единой формулой (IV.5), где коэф­ фициент и показатели степени зависят от угла атаки и определяются по рис. IV.9. В качестве нижней границы применения формулы для надежности принято значение 30°, так как при меньших углах атаки, возможно, потребуется учитывать относительную длину цилиндров

№•

В отличие от однофазной среды, для которой изменение угла ата­ ки приводит только к количественным различиям и учитывается введением в расчетную формулу поправочного коэффициента, для плотного слоя изменяется степень влияния на теплообмен определя­ ющих факторов.

IV. 3. СФЕРИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТИ

Исследование локального и среднего теплообмена слоя со сферой было проведено в Институте технической теплофизики А Н УССР при участии одного из авторов [164]. Сфера диаметром 25 мм располага­ лась в вертикальном цилиндрическом канале диаметром 100 мм. Локальные коэффициенты теплоотдачи определяли с помощью дат-

88

чика удельного теплового потока 141) и рассчитывали по уравнению (II.4). Датчик размером 8 X 8 X 1,2 мм, представлявший собой ба­ тарею дифференциальных микротермопар с плотностью укладки око­ ло 2000 шт. /см2, располагался на поверхности латунной сферы, в которой размещался электронагреватель (рис. IV . 10). Для измере­ ния температурного напора между слоем и поверхностью служила медь-константановая дифтермопара, горячий спай которой зачеканен

в латунной пластинке, покрывавшей датчик. Плотность теплового потока датчика определялась по тарировочной кривой q = f (Е). Ошибка измерения локальных коэффициентов теплоотдачи по дан­ ной методике составляет около 6%. Средние по поверхности сферы коэффициенты теплообмена подсчитывали как среднеинтегральные (уравнение (П.2)).

Сыпучим материалом служили частицы силикагеля размером

3—Ъмм(а — 4мм), характеристики которого приведены в табл. I I . 1 - Температура сферы в опытах не превышала 100° С, скорость слоя в минимальном сечении изменялась в пределах 3,2—43,2 мм/сек, определяющие геометрические симплексы оставались неизменными и

составляли -^- = 6,45, 9,35. При каждой скорости опреде­ ляли локальные коэффициенты теплообмена в 13 точках при поворо­

С увеличением скорости слоя коэффициенты теплоотдачи возрастают, и картина и распределения остается практически неизменной. Темп изменения коэффициента теплоотдачи на верхней половине сферы

89

практически одинаков (п « 0,23), в области 90° < ф < 165° он становится меньше (п » 0,13), а в кормовой точке ф = 180° снова возрастает (я » 0,30). Описанные выше закономерности позволяют судить о характере омывания сферы. Можно полагать, что ее верхняя половина омывается безотрывно, застойная зона в лобовой части от­ сутствует; в нижней части наблюдается отрыв слоя (судя по

\90°

Р и с . IV . 11. Р а с п р е д е л е н и е к о э ф ф и ц и е н т о в теп­

часть поверхности (около 50%) весьма неэффективна в тепловом от­ ношении.

Отношение средних коэффициентов теплоотдачи верхней и ниж­ ней половин цилиндра составляет ~ 3 , 3 . Степень неравномерности распределения коэффициентов теплообмена по поверхности сферы

несколько уменьшается с ростом скорости — в исследован­

'мин

ном диапазоне от 5,5 до 4,15. Благодаря отсутствию застойной зоны распределение теплоотдачи по сфере заметно отличается от описан­ ного выше для цилиндра. Эти выводы справедливы при значениях

близких к опытным. При изменении этого симплекса изменяется соотношение между областями безотрывного и отрывного омывания.

Д л я мелких частиц / высоких — і возможно появление застойных зон

в лобовой части.

90

Зависимость, описывающая средний теплообмен слоя со сферой при 173 < Ре < 2350 и указанных выше геометрических характе­ ристиках, имеет вид

Экспериментальные данные были сопоставлены с результатами расчета процесса нестационарной теплопроводности неограничен­ ного массива с шаровой полостью. Расчет выполняли по прибли­ женной методике [34]. Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет судить о влиянии на теплоотдачу фактора движе­ ния, характера омывания шара слоем. Это влияние приводит к более медленному падению интенсивности теплообмена с ростом критерия Фурье вследствие перемешивания частиц у поверхности. Значитель­ ные количественные и качественные расхождения с расчетным урав­ нением говорят о том, что процесс конвективного теплообмена слоя со сферой нельзя рассматривать как процесс прогрева (охлаждения) неограниченного массива с шаровой полостью.

IV. 4. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ

Приведенные выше данные для тел различной конфигурации позволяют проанализировать влияние формы, размеров и характера

но омываемых цилиндров (IV.2), (IV.3) и сферы (IV.6). При продоль­

продольного (безотрывное движение) и поперечного (образование зон застоя и отрыва слоя) омывания, которые были достаточно подроб­ но проанализированы в соответствующих главах. Выше показано, что обтекание наклонных цилиндров носит смешанный характер.

91

Соотношение между теплоотдачей пластины и горизонтального цилиндра определяется уравнением

(Ч>=зо°)

92