Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский государственный технический университет

им.А.Н.Туполева

ТЕПЛООБМЕНА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА

И.А. ПОПОВ

ТЕПЛООБМЕН

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН

ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ

СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫХ

ТЕЧЕНИЙ

ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕЧЕНИЙ

С ИНТЕНСИФИКАЦИЕЙ

Под общей редакцией Ю.Ф.Гортышова Казань УДК 536. ББК 31. П Попов И.А.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвекП тивных вертикальных течений с интенсификацией. Интенсификация теплообмена: монография / Под общ. ред. Ю.Ф.Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2007. – 326 с.

ISBN 978-5-93962-234- Монография посвящена исследованию интенсификации теплоотдачи при свободной конвекции. Показаны технические приложения процессов свободной конвекции в современном машиностроении, энергетике, быту. Изложены методы экспериментального исследования процессов переноса при свободной конвекции. Представлены результаты исследований внутренних и внешних течений и теплоотдачи при свободной конвекции. Даны рекомендации по использованию различных типов интенсификаторов теплоотдачи при свободноконвективных течениях в энергетическом оборудовании.

Рецензенты: докт.техн.наук В.М.Молочников, (Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра Российской Академии наук).

докт.техн.наук, профессор А.Н.Николаев (Казанский государственный технологический университет).

Под общей редакцией профессора Ю.Ф.Гортышова © И.А.Попов, ISBN 978-5-93962-234- © Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева, Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Посвящается моему отцу – инженеру Александру Александровичу Попову Предисловие Процессы переноса тепла и массы играют исключительно важную роль в природе и современной технике. Среди них заметное место занимает свободноконвективный теплообмен на ограничивающих нагреваемых или охлаждаемых поверхностях, который возникает в неоднородном поле массовых сил. Особенно большое значение проблема свободной конвекции приобретает для новой техники, в частности для атомной энергетики, космической техники, электроники. Появились многочисленные приложения в энергетике, строительстве, сельском хозяйстве и других отраслях.

Отличительной особенностью свободноконвективного теплообмена являются невысокие коэффициенты теплоотдачи. Это приводит к тому, что устройства, в которых реализуется свободноконвективный теплообмен, имеют значительные габаритные характеристики.

Уменьшить габаритные, а вместе с тем и весовые характеристики устройств со свободноконвективными системами охлаждения или нагрева, возможно с помощью интенсификации теплоотдачи. В настоящее время наиболее часто повышение эффективности свободноконвективных систем охлаждения или нагрева производится за счет развития поверхности нагрева (оребрения), увеличения скорости свободноконвективного потока (использования самотяги в каналах) и разрушения пограничного слоя за счет прерывистости теплообменных поверхностей.

В устройствах с вынужденной конвекцией теплоносителей широкое применение нашли поверхностные интенсификаторы теплоотдачи, которые воздействуют на поток только в пристенной области (не более толщины динамического пограничного слоя или его вязкого подслоя). Для свободноконвективных течений этот способ интенсификации исследовался в ограниченном количестве работ и в узком диапазоне определяющих режимных и конструктивных параметров.

Настоящая монография посвящена исследованию интенсификации теплоотдачи при свободной конвекции.

В работе изложены методы экспериментального исследования процессов переноса при свободной конвекции, представлены результаты исследований внутренних и внешних течений и теплоотдачи при свободной конвекции, даны рекомендации по использованию различных типов интенсификаторов теплоотдачи при свободноконвективных течениях в энергетическом оборудовании.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Изложенные в монографии материалы имеют фундаментальное и прикладное значение. Они способствуют пониманию механизмов интенсификации свободноконвективных течений и составляют основу для уточнения инженерных методов расчета и проектирования теплообменных устройств со свободноконвективными течениями теплоносителей.

Цель монографии – систематизировать имеющиеся данные по гидродинамике и теплообмену при свободной конвекции вдоль вертикальных поверхностей и в вертикальных каналах, проанализировать возможность интенсификации свободноконвективной теплоотдачи различными методами.

Монография делится на два раздела. Первый раздел книги включает обзор и анализ ранее опубликованных статей и монографий. В нем использованы результаты работ В.Эленбааса, С.Острача, Дж.Р.Бодойи, У.Черчилля, У.Онга, Г.А.Остроумова, Э.Шмидта, Р.Г.Эккерта, Р.С.Просолова, А.Е.Берглса, О.Г.Мартыненко, Б.Гебхарда, Й.Джалурии, Дж.Ф.Остерле, В.М.Розеноу, А.БарКоэна, Дж.Танды, Г.Валь Дэвиса, Ю.С.Чумакова, О.М.Мильмана, Е.М.Спэрроу, В.И.Полежаева, Р.Дж.Моффата, Т.Фуджии и многих других. Второй раздел книги посвящен обсуждению результатов, полученных автором в Казанском государственном техническом университет им.А.Н.Туполева.

Перевод иностранных статей выполнен автором.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Вадиму Владимировичу Олимпиеву за обсуждение полученных результатов, к.т.н. Борису Борисовичу Костылеву и к.т.н. Роману Анатольевичу Усенкову за совместное проведение и обработку результатов экспериментов, инженеру Виталию Сергеевичу Колкунову за помощь в организации проведения экспериментальных исследований, к.т.н., доценту Виктору Михайловичу Гурееву за предоставленные отдельные материалы для главы 19.4, аспиранту Шамилю Вячеславовичу Байрамову за проведение совместных тепловизионных исследований.

Автор благодарен д.т.н., профессору Юрию Федоровичу Гортышову за научные консультации, обсуждение и глубокий анализ работы, научное редактирование рукописи и полезные рекомендации и замечания. Автор высоко ценит свою принадлежность к научной школе профессора Ю.Ф.Гортышова.

Автор выражает искреннюю признательность рецензентам д.т.н. Валерию Михайловичу Молочникову и д.т.н., профессору Андрею Николаевичу Николаеву.

Появлению монографии во многом способствовали дискуссии по проблемам интенсификации теплообмена при свободной конвекции с д.т.н., профессором МАИ Генрихом Александровичом Дрейцером и д.т.н., заведующим лабораторией ИТФ СО РАН Виктором Ивановичем Тереховым.

По материалам монографии защищены две диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук и подготовлена диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.

Монография подготовлена и издана из средств гранта Российского фонда фундаментальных исследований (грант №06-08-08145офи) и программы Министерства образования и науки Российской Федерации.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией а – температуропроводность;

В, b – ширина;

Bq = Ra Pr == g2 c 2( t w t f ) x 3 / 2 – число Буссинеска;

D – диаметр канала;

E=Q/N – критерий Кирпичева;

E =Q/(N t ) – модифицированный критерий Кирпичева;

E = E / E – критерий теплогидравлической эффективности;

G = 4(Gr / 4)1 / 4 – параметр ламинарно-турбулентного перехода;

G * = 5(Gr * / 5)1 / 5 – параметр ламинарно-турбулентного перехода для условия qw=const;

H – высота;

I – сила тока;

Iw – коэффициент перемежаемости скорости;

It – коэффициент перемежаемости температуры;

L – линейный размер, длина;

N – мощность на прокачку теплоносителя;

Q – тепловой поток, тепловая мощность;

Q – плотность теплового потока;

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Re = – модифицированное число Рейнольдса для канала;

Re = – число Рейнольдса для канала;

s – шаг расположения;

T, t – температура;

U – сила тока;

w, u – скорость;

х, у – координаты.

– коэффициент теплоотдачи;

п – угол;

– коэффициент термического расширения;

– толщина пограничного слоя, толщина;

– коэффициент теплопроводности;

из – длина волны излучения;

µ – динамический коэффициент вязкости;

– кинематический коэффициент вязкости;

, – избыточная температура;

– плотность;

– касательные напряжения.

0 – вне пограничного слоя; D – рассчитывается по диаметру; f – в потоке; L – рассчитывается по длине; m – средняя температура в зазоре, пограничном слое и т.д.; w – на поверхности; х – местное (локальное) значение; гл – гладкая поверхность.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ

СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕЧЕНИЙ

Глава 1. Физическое явление – свободная конвекция Движение жидкости в системе под действием неоднородного поля массовых сил, приложенных к частицам жидкости внутри системы, обусловленное внешними полями (гравитационным, магнитным, электрическим), называют свободным движением или свободной конвекцией [1].

Свободная конвекция является одним из универсальных видов макроскопического движения жидких и газовых сред в природе и наряду с вынужденной конвекцией представляет один из важных классов рабочих процессов в технике и технологиях, а также различных явлениях в таких областях, как физика, химия, биология и др. В последние годы происходило интенсивное развитие теоретических и экспериментальных исследований свободной конвекции, существенное расширение как традиционных приложений в теплоэнергетике, строительной технике, так и сравнительно новых, особенно в области аэрокосмической техники, технологии охраны окружающей среды.

Свободное движение под действием гравитационного поля или, иными словами, аэро- или гидростатической подъемной силы в системе с неоднородным распределением плотности называют гравитационным свободным движением, или гравитационной свободной конвекцией. Неоднородное распределение плотности может быть вызвано неоднородным распределением температур, концентрации какого-либо компонента смеси или наличием фаз с разной плотностью.

Существует много разных видов течений, вызванных аэро- или гидростатической подъемной силой, что обусловлено как отдельными эффектами, так и их комбинациями, а также разнообразием геометрических конфигураций, различием граничных условий и возникающих силовых полей. Почти все такие явления имеют общие черты, и они сильно отличаются от процессов переноса, обусловленных обычными видами приложения силы, типа вынужденного движения при воздействии вентилятора или насоса. Характерное отличие состоит в том, что заранее очень мало известно о результирующем течении, возникающем под действием аэро- или гидростатической подъемной силы.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Поля течения и температуры всегда тесно связаны друг с другом и их необходимо рассматривать совместно, а сами течения являются сравнительно слабыми. Это значит, что скорости достаточно малые, а инерционные и вязкие эффекты характеризуются величинами обычно одного и того же порядка.

Перенос теплоты, происходящий при обтекании твердого тела потоком жидкости при ее свободной движении, называют теплоотдачей при свободном движении жидкости, или теплоотдачей при свободной конвекции.

В настоящей работе рассматриваются вопросы только гравитационной свободной конвекции, поэтому слово «гравитационная» в дальнейшем изложении опущено.

Рис.1.1. Интерферограмма вертикального течения в газообразном азоте, сформировавшегося в области, примыкающей к растянутой вертикально металлической фольге. Электрический ток выделяет энергию, которая рассеивается и переносится конвекцией по обе Все течения этого класса подразделяются на две категории.

Течения, возникающие в практически неограниченной среде и вызванные локальной неоднородностью плотности или наложенными условиями на распределение температуры или энергии в данном месте, или на некоторой поверхности, называются внешними течениями. Такое течение показано на рис.1.1. В этих условиях процессы нагревания и охлаждения жидкости протекают на значительном расстоянии, а восходящие и нисходящие токи не оказывают сколько-нибудь заметного влияния друг на друга.

Течения, вызванные локальной неоднородностью плотности или наложенными условиями на распределение температуры или энергии, возникающие в ограниченном объеме, где на процессы переноса оказывает влияние форма ограниченного объема, называются внутренними течениями. В ограниченном объеме толщина пограничного слоя становится соизмеримой с размерами самоГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией го пространства, и процессы нагревания и/или охлаждения на различных поверхностях ограниченного объема нельзя рассматривать независимо.

Можно выделить еще один класс свободноконвективных течений - естественная циркуляция. Естественная циркуляция отличается от естественной конвекции, так как она возникает при небольших градиентах давления, определяемых разностью плотностей среды внутри трубы и в контуре вне ее, тогда как естественная конвекция развивается в пространстве, где любым градиентом статического давления можно пренебречь. Использование естественной циркуляции дает при создании теплообменных установок важные преимущества: малый расход энергии на собственные нужды, отсутствие побудителя движения охлаждающей среды и, как следствие, отказ от средств автоматизации, контроля и управления. В итоге упрощаются схемы установок и повышается их надежность. Таким образом, в силу актуальности этой проблемы, необходимости получения достаточного количества данных для расчетов интенсивности теплообмена нужно дополнительное экспериментальное и теоретическое изучение процессов теплообмена при естественной циркуляции.

Структура свободной конвекции в замкнутых областях, определяющаяся взаимодействием конвективного ядра и пристенных областей течения, стратификации, вызываемой конвекцией, и ее обратному воздействию на течение и процессы переноса, а в более общем случае – взаимодействие течений, вызываемых массовыми и поверхностными силами, и ее основные характеристики – теплопередача, температурное расслоение, концентрационные макро- и микронеоднородности и т.д., представляют основу многих приложений и поэтому интенсивно исследуются.

Если в большом объеме интенсивность переноса теплоты сравнительно слабо зависит от формы обтекаемого тела, то в ограниченном объеме процесс формирования скоростного и температурного поля в жидкости или газе совершается под сильным влиянием формы стенок.

Хорошо обоснованная теория течения и теплообмена сегодня разработана для ламинарного режима свободной конвекции в пограничных слоях. Она дает априорные предположения и основную структуру для корреляции экспериментальных результатов. Развитие вычислительной техники и методов исследования привело к возможности получения численных решений для ламинарного режима течения в широкой области определяющих параметров. Но даже для этих условий многие проблемы, имеющие практический интерес, остаются нерешенными.

Большинство теоретических моделей свободной конвекции использует приближения Буссинеска: влияние вязкой диссипации пренебрежимо мало; изменение давления в направлении течения несущественно; изменения физических свойств малы, за исключением плотности, входящей в гравитационный член уравнения, которая описывается как Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией где – плотность, кг/м3; Т – температура, К; – температурный коэффициент объемного расширении, К-1. «0» в индексе означает свободную жидкость в объеме. Эти предположения, как известно, в дальнейшем были проверены и большей частью обоснованны.

Теория пограничного слоя, кроме указанных выше предположений включает еще и следующие: основные изменения скорости и температуры сосредоточены вблизи границы жидкость – тело, перенос количества движения и энергии в направлении основного движения пренебрежимо мал. Условия, при которых эти предположения справедливы, рассмотрены ниже.

Теория свободной конвекции при турбулентном режиме течения менее разработана. Численные решения, основанные на концепции турбулентного переноса количества движения и теплоты, находятся в некоторой критической стадии развития, и надежные результаты в широкой области параметров еще должны быть получены.

Экспериментальные данные по свободной конвекции большей частью менее точны и аккуратны, чем по вынужденной конвекции, вследствие низкой интенсивности теплообмена и связанных с этим трудностей таких измерений, которые не вызывали бы нарушений самого процесса обмена.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Глава 2. Технические задачи с использованием свободной конвекции Процессы переноса тепла и массы играют исключительно важную роль в природе и современной технике. Среди них заметное место занимает свободноконвективный теплообмен при заданном потоке тепла на ограничивающих поверхностях, который возникает в неоднородном поле массовых сил. Особенно большое значение проблема свободной конвекции приобретает для новой техники, в частности для атомной энергетики, космической техники, электроники.

Появились многочисленные приложения в энергетике, строительстве, сельском хозяйстве и других отраслях.

Естественная циркуляция теплоносителя широко используется как надежное средство пассивного охлаждения активной зоны ядерного реактора [2– 6]. Естественная циркуляция теплоносителя также используется как резервное средство циркуляции в реакторных установках различного типа, имеющих в своем составе главные циркуляционные насосы. Естественная циркуляция успешно реализуется во всех существующих реакторных установках в аварийных ситуациях, связанных с отключением главного циркуляционного насоса, и решает задачу теплоотвода от активной зоны реактора, сохраняя целостность и обеспечивая аварийное расхолаживание реакторной установки. Естественную циркуляцию теплоносителя используют для экономии ресурсов главного циркуляционного насоса и повышения безопасности установки в целом. Однако это требует более подробного рассмотрения и учета особенностей естественной циркуляции теплоносителя, отличающих ее от принудительной циркуляции.

Одна из таких особенностей – малые скорости теплоносителей, снижающиеся по сравнению с принудительной циркуляцией на порядок и более, вследствие чего значительную роль в формировании картины течения и смещении струй в различных элементах реакторной установки играют конвективные токи, обусловленные архимедовыми силами. В режиме расхолаживания, например, реакторных установок с ВВЭР-1000 при скоростях расхолаживания выше 15 o C/ч на естественной циркуляции теплоносителя силы естественной конвекции превалируют над силами инерции потока, что приводит к возникновению устойчивой температурной стратификации (расслоению) теплоносителя в тупиковых участках циркуляционного тракта, к которым относятся горячая камера реактора и объемы под крышками «горячего» и «холодного» коллекторов парогенераторов. Стратифицированные объемы становятся застойными, скорость их Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией расхолаживания значительно отстает от скорости расхолаживания реакторной установки, что приводит к возрастанию разности температур теплоносителя в прочных и застойных частях контура. Причем эта разность не монотонно распределена по высоте объема, а сосредоточена в тонком ( 100 мм) слое теплоносителя – стратифицированном слое, который и отделяет застойный объем от остального контура.

Кроме установки защитной оболочки, в систему радиоактивной безопасности реактора входит ряд мер, предназначенных для предотвращения выхода радиоактивности из твэлов, т.е. их перегрева из-за недостаточного охлаждения активной зоны. Для улучшения этой системы применительно к новым АЭС предлагается обеспечение естественной циркуляции воды первого контура через парогенератор для отвода остаточного тепловыделения после аварийной остановки реактора из-за обесточивания циркуляционных насосов.

Концептуальный проект АЭС с естественной циркуляцией воды первого контура через парогенератор для отвода остаточного тепловыделения разработан в США фирмой «Калибэйшэн Инжиниринг» (тепловая мощность QТ= МВт, электрическая мощность QЭ= 300 МВт, давление в контуре P = 15 МПа).

Проект реактора выполнен с охлаждением активной зоны потоком воды при естественной конвекции, с отводом тепла в опускном канале трубами встроенного парогенератора. Удельная нагрузка поверхности активной зоны вследствие этого в несколько раз ниже, чем обычно и, соответственно, больше габариты реактора в целом (высота H = 24,7 м, диаметр реактора D = 5,5 м). Из-за больших габаритов использование такого реактора в дальнейшем нецелесообразно.

Однако, если поверхность теплообмена снабдить интенсификаторами, то можно добиться значительного уменьшения габаритов реактора и в дальнейшем использовать его в большой энергетике.

Свободноконвективный теплообмен широко встречается в бытовой теплотехнике.

Наибольшее распространение получили бытовые и промышленные радиаторы, принцип работы которых основан на явлении самотяги, т.е. свободноконвективного движения в вертикальном канале. Наиболее известны среди них такие радиаторы, как Elegance, Global Vox, Henrad, Royal, Extra Therm (Nova Florida), Rounding, Sahara, Opera, Ontario, TermAl, Calidor Super, Klimtherm, Эффект и др. (рис.2.1).

Поверхность нагрева радиаторов данного вида развита за счет вертикальных ребер. Геометрия оребрения такова, что они образуют вертикальные каналы с свободноконвективными потоками (самотягой), характеризующиеся повышенными коэффициентами теплоотдачи. Кроме этого ребра, увеличивают поверхности нагрева секции. Таким образом, использование принципа самотяги позволяет проектировать более эффективные и компактные радиаторы.

Широкое применение принципа самотяги в отопительной технике подтверждается обзором патентной литературы. Отопительные радиаторы с организацией каналов представлены в заявках ФРГ № 43 28 489, № 21 61 130, № 04 666, № 26 28 160, № 26 51 568; патенте ФРГ № PS 21 41 214; патенте США № 4 832 117; заявках Японии № 4-81109, № 3-15113, № 3-1592; заявке ШвейцаГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией рии № 682 105; заявках Великобритании № 2 211 593, № 2 216 643; авторских свидетельствах СССР № 1776924, № 1112188; заявках Франции № 2 518 729, № 2 651 568.

Фирма Alfa Kalor (Италия) предлагает стальные панельные многосекционные радиаторы (рис.2.2). Для интенсификации теплообмена задние ребристые секции-панели изготовлены дискретно-шероховатыми и с оптимальным расстоянием между ребрами, обеспечивая высокую эффективность свободноконвективного теплообмена снаружи секции. По лицензии подобный радиатор СПМ выпускается ООО УПТК по ТУ РБ 01357916.009-98 (г.Минск, Беларусь).

Рис.2.2. Стальной панельный радиатор СПМ с дискретно-шероховатыми Увеличение теплоотдачи на поверхностях бытовых радиаторов достигается также использованием прерывистых или жабристых (с периодическими просечками) ребер. Радиатор «Эффект» с жабристыми ребрами изготавливается Челябинским заводом ЖБИ.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Для отопления промышленных помещений на предприятии ПРП «Татэнергоремонт» ОАО «Татэнерго» предложена схема радиатора (конвектора), показанная на рис.2.3. Данная схема частично соответствует патенту Германии №104666, 1951 г. Радиатор состоит из двух вертикальных коаксиальных труб и 2. Торцы труб снизу и сверху сварены с горизонтальными трубами 3 и 4, играющими роль подводящего (сверху) и отводящего (снизу) коллекторов, причем сварка труб производится таким образом, чтобы полость центральной вертикальной трубы сообщалась с окружающим воздухом, а круговой зазор и горизонтальные трубы составляли закрытый проточный контур для воды. В центральной трубе возникает свободная конвекция (явление самотяги) за счет разности плотностей воздуха в нижней и верхней части вертикальной трубы.

Рис.2.3. Схема радиатора (конвектора) ПРП «Татэнергоремонт»

Рис.2.4. Радиаторы (конвекторы) «Гармония» и «Эффект» КЗТО Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Подобные конвекторы «Гармония» и «Эффект» выпускаются КЗТО (рис.2.4). Колонки радиаторов «Гармония» изготавливаются из гладких труб толщиной 1,5 мм и имеют двойные стенки, а горизонтальные коллекторы – из труб 283,5 мм. Такая конструкция позволяет достигать высокую теплоотдачу.

Одним из примеров устройств со свободноконвективной вертикальной циркуляции теплоносителя в канале является термосифоны в зоне вечной мерзлоты, применяемые для охлаждения и замораживания грунтов в основаниях сооружений и создания противофильтрационных мерзлотных завес в грунтовых плотинах [7]. Воздушные термосифоны устраивают обычно в виде коаксиальной системы из 2 труб или одной трубы, опущенной в скважину (рис.2.5). Естественная тяга в термосифоне летом возникает за счет разности температур верхних и глубинных слоев грунта и разности скоростей ветра на разной высоте от поверхности земли. В начале лета верхние слои грунта более холодные, чем на глубине. Поэтому воздух в кольцевом пространстве стремится опуститься вниз. Естественная тяга, вызываемая ветром, формируется расположением концов открытых каналов термосифонов на разной высоте от поверхности земли.

Чем выше расположен конец канала, тем больше в нем при наличии ветра разряжение воздуха и тяга направлена в сторону этого отверстия. Полная естественная тяга при совпадении направлений ее частей равна их сумме, при противоположных направлениях равна их разности и действует в сторону, большей из них.

В термосифоне известной конструкции летом естественная тяга суммируется, и воздух опускается вниз по узкому кольцевому пространству. Отношение внутренней трубы и кольцевого пространства равно k=2d1/(d2- d1 ). Обозначая d1/ d1 =i и d1/d2=j, получим k=2ij/(1-j). По исследованиям В.И.Макарова, максимальная интенсивность переноса теплоты коаксиальным термосифоном достигается при j=0,55. Однако при уменьшении j до 0,45 и увеличении до Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией 0,75 интенсивность переноса теплоты снижается от максимального значения всего на 5%.

Другим практическим использованием принципа самотяги являются промышленные градирни (рис.2.6). Градирни предназначены для устойчивого охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения энергетических установок, установок кондиционирования воздуха и другого технологического оборудования.

Большое значение свободная конвекция играет в системах охлаждения электронного оборудования. Платы с полупроводниковыми приборами охлаждаются как вынужденной, так и свободной конвекцией. Последний способ не требует дополнительных затрат энергии и упрощает систему охлаждения и повышает надежность работы электронного оборудования.

Также естественная циркуляция и свободноконвективное охлаждение используется в силовых трансформаторах с воздушным или масляным охлаждением. Естественная циркуляция охладителя осуществляется во внутреннем контуре, а снаружи обычно реализуется свободноконвективное охлаждение на оребренных поверхностях или системах вертикальных трубок.

Приведенные здесь примеры использования свободноконвективных течений и теплообмена в системах нагрева и охлаждения является довольно не полным, но показывают всю актуальность и необходимость работ по исследованию закономерностей течения и теплообмена внешних и внутренних свободноконвективных течений и первоочередность задачи интенсификации теплоотдачи для создания высокоэффективного компактного теплообменного и энергетического оборудования.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Глава 3. Экспериментальные методы исследования течения Экспериментальное исследование процессов течения и теплообмен подразумевает две стадии: во-первых, организацию течения и теплообмена теплоносителя, во-вторых, измерение параметров, позволяющих оценить особенности течения и интенсивность теплообмена. Для свободной конвекции течение и теплообмен – взаимосвязанные явления, так как свободная конвекция возникает при нагреве или охлаждении макроскопических объемов теплоносителя.

Экспериментальные данные по свободной конвекции большей частью менее точны и аккуратны, чем по вынужденной конвекции, вследствие низкой интенсивности теплообмена и связанных с этим трудностей таких измерений, которые не вызывали бы нарушений самого процесса обмена. Поэтому при исследованиях свободной конвекции используют несколько методов исследования течения и теплообмена одновременно.

Рассмотрим отдельные методы организации свободноконвективных течений и современные методы исследования параметров течения и теплообмена.

При выборе схемы нагрева рабочей теплообменной поверхности необходимо руководствоваться заданными граничными условиями в эксперименте – постоянством плотности теплового потока (qw=const) или постоянством температуры поверхности теплообмена (tw=const).

Граничное условие qw=const можно достичь прямым или косвенным электрическим нагревом поверхности.

Граничное условие tw=const можно достичь охлаждением или нагревом рабочей поверхности другим теплоносителем или секционным электрическим нагревом.

Для реализации постоянства плотности теплового потока от рабочей поверхности в теплоноситель за счет прямого электрического нагрева рабочую поверхность выполняют из металла, имеющего значительное электрическое сопротивление. Обычно используют листы и трубы из нержавеющей стали или нихрома. Выбор такого материала позволяет нагревать поверхности при наименьших затратах электроэнергии.

Электрический ток течет в любом металле по пути наименьшего сопротивления, поэтому при данном способе нагрева особенно важно подобрать маГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией териал и сечение токоподводов. К ним предъявляются следующие требования:

во-первых, они должны быть выполнены из металла хорошо свариваемого с металлом основной пластины или трубы (нержавеющей сталью или нихромом), во-вторых, иметь низкое электрическое сопротивление. Хорошая свариваемость с металлом пластины или трубы рабочего участка позволяет исключить дополнительные электрические сопротивления в зоне контактов и избежать локальных перегревов на рабочем участке (минимизация концевых эффектов или дополнительного притока теплоты от токоподводов на рабочую поверхность).

То есть токоподвод может быть выполнен из того же металла, что и основная рабочая поверхность, только большего поперечного сечения для обеспечения более низкого сопротивления. Однако размеры токоподводов лимитируются условием минимизации потерь тепла на их нагрев и теплоотдачу тепла с них в окружающую среду (минимизация концевых эффектов или стоков теплоты по токоподводам от рабочих поверхностей).

При организации измерений температуры поверхности, нагреваемой прямым пропусканием электрического тока, с помощью термопар необходимо учитывать возможность возникновения так называемых «наводок». Для исключения искажения сигнала от термопар их провода необходимо укладывать по рабочей поверхности по изотерическим линиям, которые будут соответствовать линиям с постоянным электрическим потенциалом. При прямом электрическом нагреве температуру поверхности и тепловые потоки лучше определять оптическими способами, что поможет избежать искажений электрических сигналов от термопар на поверхности.

Определение теплового потока от пластины с прямым электрическим нагревом в окружающую среду производится путем определения мощности электрического тока, пошедшего на нагрев платины за вычетом потерь тепловой энергии на токоподводах, излучением и теплопередачей через теплоизоляцию или основание установки, на которой установлена пластина (если таковая имеется). Потери тепловой энергии на токоподводах и через теплоизоляцию или основание определяются во время специальных тестовых опытов. Для исключения сложностей с определением потерь можно использовать оптические методы или симметричную задачу, когда исследуется (учитывается) теплоотдача с обеих сторон пластины. Потери тепловой энергии излучением определяются расчетным путем.

При исследовании теплоотдачи в каналах различного поперечного сечения, открытых по верхней и нижней границе, тепловой поток от рабочих поверхностей в окружающую среду может быть проверен калориметрическим методом, т.е. через определение среднего расхода теплоносителя через канала и разность средних температур теплоносителя на входе и выходе из канала. Для определения среднего расхода теплоносителя может использоваться времяпролетный способ, заключающийся в определении средней скорости потока в канале известной длины и площади поперечного сечения за счет регистрации времени пролета через канал либо добавленных в поток объемов дыма или хорошо летучих частиц, либо ионизированных (рентгеновским излучением) частиц теплоносителя.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Рис.3.1. Вертикальная нагреваемая (рис.3.1).

пластина: 1 – асбестовая бумага; 2 – При использовании косвенного задняя пластина; 3 – токовыводы на- нагрева рабочая теплообменная погревателя; 4 – передняя пластина; 5 – верхность может быть выполнена из основание нагревателя; 6 – термопара. массивного материала (имеющего значительную толщину). Это позволяет снабдить ее термопарами, закрепленными мастикой в канавках, выфрезированных на поверхности пластин.

Для определения тепловых потоков при косвенном нагреве поверхностей могут использоваться: 1) градиентный метод; 2) оптические методы; 3) измерение электрической мощности нагревателя за вычетом потерь тепловой энергии через основание.

Для реализации постоянства температуры рабочей поверхности обычно используют косвенный нагрев. В этом случае используются рабочие участки, подобные изображенной пластине на рис.3.1. Отличительной особенностью является то, что нагревательный элемент выполняется секционным по высоте рабочей пластины. Каждая секция имеет собственный источник элетропитания.

Подача электроэнергии на каждую секцию регулируется таким образом, чтобы по высоте пластины реализовывалось условие постоянства температуры рабочей поверхности.

Для реализации постоянства температуры рабочей поверхности вместо секционного нагревателя может использоваться конвективный нагрев или охлаждение рабочей поверхности другим теплоносителям. В этом случае на рабочем участке, изображенном на рис.3.1, проволочный нагреватель на основании 5 заменяется на полость или тонкую трубку, через которую протекает теплоноситель. Форма полости, канала или трубки для течения теплоносителя, который охлаждает или нагревает рабочий участок, а также скорость теплоносителя выбираются из условия соблюдения постоянства температуры рабочей поверхноГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией сти. На данном рабочем участке должен обеспечиваться противоток теплоносителя, который охлаждает или нагревает рабочую поверхность, и основной рабочей жидкостью, теплоотдачу между которой и поверхностью исследуют.

При данном способе нагрева или охлаждения рабочей поверхности тепловой поток может быть определен: 1) градиентным методом; 2) оптическими методами; 3) измерением расхода и температур теплоносителя, который охлаждает или нагревает рабочую поверхность, на входе и выходе из рабочего участка за вычетом потерь тепловой энергии через основание и торцы рабочего участка.

Существует большое количество оптических приборов, выполненных по различным схемам, основанным на методе полос. Для исследования свободноконвективных течений широко используются различные интерферометры.

Интерферометр – это оптический прибор, основанный на интерференции света, которая наблюдается на экране или иной поверхности в виде характерного чередования светлых и тёмных полос или пятен (для монохроматического света) или окрашенных участков – для белого света. Интерферометр применяется для измерения длин волн спектральных линий, изучения их структуры, измерения неоднородностей показателя преломления прозрачных сред и т.д.

Интерферометр МахаЦандера является по сути модификацией двухлучевого интерферометра Жамена для интерференционных измерений модуляции плотности в газовых потоках. Интерферометр Маха-Цандера (ИМЦ) широко Цандера: М1, М2, М3 - малые плоские Схематическое изображение зеркала; П1, П2, П3 – расщепители све- конструкции интерферометра Махатового потока; ПЗ1, ПЗ2 - параболо- Цандера представлено на рис.3.2.

идные зеркала; Ф1 - пространственный Пучок света формируется с фильтр; З1, З2 – зеркала; Л1, Л2, Л4 – помощью гелий-неонового лазера.

увеличительные линзы №1, 2 и 4 Для обеспечения наилучших визуальных результатов его расширяют телескопом Ф1. Параллельный пучок света делится полупрозрачным зеркалом П1 на два плеча, которые в дальнейшем сводятся при помощи «глухих» зеркал З1 и З2, полупрозрачного зеркала П3 и объектива Л1 на условном экране М3 и далее фиксируются на фотопленку.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией В одном из плечей интерферометра устанавливается рабочий участок, например вертикальная пластина. Угол сведения пучков выбирается с тем расчетом, чтобы область локализации интерференционных полос совпадала с пристенной областью рабочего участка. Эта область локализации отображается на экран. В результате на нем возникает в отсутствии свободной конвекции система эквидистантных прямых интерференционных полос с расстоянием между полосами: L=из/п, где из – длина волны излучения; п – малый угол между пучками в радианной мере. При включении нагрева пластины измененяется плотность слоев воздуха около нее и, как следствие, появляется свободная конвекция. При этом происходит изменение неоднородности показателя преломления среды, и полосы на интерферограмме искривляются, причем их линейное смещение относительно неискривленного положения пропорционально изменению плотности газа в данной части потока. Таким образом, по получившейся интерференционной картине восстанавливают распределение плотности газа в потоке. По данному распределению плотности газа в потоке можно судить о распределении температур.

При проведении исследований при свободной конвекции необходимо исключить наличие частиц пыли в воздухе и движение воздуха в помещении или около рабочего участка за счет движения лаборантов и инфильтрации воздуха в здании. Для этого интерферометр и рабочий участок помещают под кожух из прозрачного полиэтилена. Окна в кожухе соответствовали входу луча от лазера в интерферометр и выхода луча на камеру Проведению эксперимента предшествует кропотливая работа по настройке интерферометра для получения хорошей интерференционной картины. Процедура настройки интерферометра может быть проведена по рекомендациям Е.Р.Дж.Эккерта и Р.Дж.Голдштейна [11], В.Хауфа и У.Григалла [12]. Подрегулировка может быть достигнута настройкой плоского зеркала М3 и зеркала З1.

В экспериментах обычно предусматривают движение рабочего участка для фиксирования интерферограмм вдоль всей исследуемой поверхности, т.е.

фотографии делаются на нескольких участках и затем склеиваются в единую интерферограмму. Эксперименты проводят при установившемся режиме, который достигается приблизительно за 3-4 часа после включения электронагревателя на рабочем участке. Эксперименты проводят при заданных температурных напорах, обеспечивающих необходимую последовательность интерференционных полос - наиболее близкой к исследуемой поверхности должна быть светлая полоса. Это увеличивает точность идентификации полос на интерферограмме.

Полученная информация по распределению интерференционных полос вместе с уравнениями для показателя преломления воздуха используется для оценки распределения температуры потока около нагретой стенки рабочего участка и температурного градиента dT/dy в пограничном слое.

Для интенсифицированных поверхностей характерен двумерный поток около интенсификаторов теплоотдачи. Предложенный метод исследования теплоотдачи при свободной конвекции пригоден и для этого случая.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Местные коэффициенты теплопередачи и местные числа Нуссельта могут быть рассчитаны следующим образом:

Регистрация визуальной картины течения около вертикальной пластины с выступами, устанавливаемой в рабочей Цандера расчета температуры, соответствующей i-й интерференционной полосе, в рабоРис.3.4. Интерферограммы около нагретых готах [13,14] предлагается исризонтального цилиндра и вертикальной плапользовать соотношение:

стины (фото Э.Р.Г.Эккерта и Э.Зойенгена) Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Примеры интерферограмм приведены на рис.3.4.

В работе [15] для исследования теплоотдачи в вертикальном канале использовался шлирен-метод (метод интерференционных полос) на базе установки, показанной на рис.3.5. Некогерентный луч света от источника света, фокусируемый вогнутым зеркалом М1 с фокусным расстоянием f1, пропускается сквозь рабочий участок (разрез вертикального канала). Второе вогнутое зеркало М2 с фокусным расстоянием f2 используется для проектирования изображения в данном разрезе рабочего участка в фокальной плоскости и действительного изображения на рабочем участке на экран или фотокамеру. Вследствие неоднородности показателя преломления воздуха около нагретой пластины световые лучи подвергаются угловым отклонениям. На фиксируемой картине, в плоскости у–z можно идентифицировать оптические области, характеризующиеся отклонением световых лучей, как показано на рис.3.5. Отклонение возмущенного луча может быть зарегистрировано, измеряя его в фокальной плоскости зеркала M2 как расстояние у.

Рис.3.5. Установка, реализующая шлирен-метод Визуализация свободноконвективных течений около вертикальной пластины может осуществляться при помощи метода лазерного ножа. В качестве источника света используется ионный лазер, излучение которого формируется в виде тонкой световой полосы требуемых размеров при помощи оптической системы, состоящей из трех линз: двух сферических фокусирующих и одной цилиндрической. В качестве визуализирующих частиц может использоваться мелкая пудра [10,16]. При фоторегистрации процесса ось объектива фотокамеры направляется перпендикулярно лазерному лучу. С целью устранения световых бликов исследуемая пластина тщательно чернится.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Рис.3.6. Схема установки для визуализации течения с конвективную камеру вентилятором через мелкоячеистую сетку, на которой лежал слой пыли цинкстеарата, после чего запыленный воздух нагнетался через камеру смешения в конвективную камеру. Камера смешения служила двум целям: уменьшению вынужденной тяги, индуцированной конвективными токами воздуха в помещении, а также осаждению более крупных частиц пыли из воздуха. Для регулирования количества пыли в воздухе использован метод проб и ошибок, заключающийся в перекрытии части воздухозаборника вентилятора.

Оптическая система имеет в качестве основного элемента систему освещения, обеспечивающую падение света от импульсного источника на частицы пыли. Система состоит из комплекта линз, диафрагмы, обтюратора и лампы, установленных на оптической скамье. Источником света служила лабораторная калиброванная лампа Eppley мощностью 1 кВт. Обтюратор был выполнен в виде круглого диска с отношением включено-выключено, равным 1:2; диск был насажен на ось вала синхронного электродвигателя с частотой вращения об/мин. Две двояковыпуклые и одна плосковыпуклая цилиндрическая линзы образуют яркое поле в фокальной плоскости на опытной пластине размером 1,2712,7 см. В фотоаппарате с шириной пленки 35 мм установлен однолинзовый объектив Nikon F со светосилой 1:1,2. Для возможности фокусировки на более близких расстояниях предусмотрено насадочное кольцо. При фотографировании использована пленка Kodak Tri-X, нормальная чувствительность которой составляет 400 единиц ASA; такая чувствительность недостаточна для получения четкого изображения пылинок на пленке. Поэтому с целью увеличения чувствительности до 4000 единиц ASA пленку специальным образом обрабатывали в проявителе HC-110. Опыты показали, что установка светосилы, равной 2, и выдержка 1/8 дают наилучшие результаты при регистрации траекторий пылинок.

Поскольку при определении как положения, так и скорости, длины измеряли по фотографиям; масштаб увеличения фотографического изображения необходимо было знать точно. Для этой цели на всех фотографиях присутствоваГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией ла эталонная длина. В качестве эталона линейного размера была выбрана проволока заданного диаметра, подвешенная вертикально на известном расстоянии перед пластиной. Это расстояние можно было использовать для определения коэффициента увеличения. В качестве другого эталона линейного размера использовали бусы, нанизанные на проволоку на известном расстоянии друг от друга.

Для определения положения частицы пыли на фотографии, проявленную пленку проецировали на большой экран. Коэффициент увеличения определяли путем измерения эталонных расстояний на спроецированном изображении и сравнения их с соответствующими реальными расстояниями. Расстояние частицы пыли от передней кромки поверхности пластины измеряли по спроецированному изображению и пересчитывали на реальные значения x и y путем деления на коэффициент увеличения M. Расстояние d на n фотографиях одной и той же частицы измеряли по проекциям на экран, а среднюю скорость частицы получали из уравнения:

где S – число прорезей в диске обтюратора; N – скорость вращения диска; M – коэффициент увеличения.

Инфракрасная термография служит хорошим инструментом для получения двумерных тепловых изображений нагретых поверхностей. Она является одной из разновидностей оптических методов исследования.

В настоящее время промышленностью выпускается большой спектр инфракрасных камер (тепловизоров), отличающихся диапазоном измеряемых температур, фокусным расстоянием, углом съемок, разрешающей способностью и т.д.

В качестве примера приведем результаты исследований с помощью инфракрасной камеры (тепловизора) низкой длины волны Agema Thermovision 900LW [18]. Она использует ртутно-кадмиевый детектор с охлаждением жидким азотом. Спектральная полоса прибора – от 8 до 12 µм, с некоторой остаточной реакцией вне этого диапазона. Номинальная чувствительность тепловизора равна 0,08°C при 30°С. При использовании тепловизоров основной проблемой является определение степени черноты поверхности или вещества, температуру которого мы хотим измерить. При приближенном задании степени черноты мы можем получить качественную картину распределения температур, но количественные значения окажутся весьма неточными. В связи с этим для измерения точных температур производится корректировка вводимой в тепловизор степени черноты поверхности, на которой производится измерение темГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией ператур, на основе измерения температур в реперных точках поверхности более точными приборами (например, термопарами) и сравнения их с показаниями тепловизора. Используя термопары для измерения «точных» температур поверхности позволяет достигнуть точности измерения температур поверхностей и веществ тепловизором Agema Thermovision 900LW равной ± 0,3°C. Разрешающая способность тепловизора Agema Thermovision 900LW – пикселей (12–битное изображение). Это небольшое разрешение по современному уровню инфракрасной техники вызывало необходимость создания небольшого рабочего участка для более точного определения температурных полей. Программное обеспечение современных тепловизоров позволяет задавать измеряемый температурный диапазон, выбирать цветовую палитру (соответствие цвета заданной температуре) и производить предварительный анализ термоизображения. Оптическая система тепловизора обеспечивает заданный угол получения изображения. Если поверхность больше, чем можно зафиксировать с помощью одного снимка тепловизора, то делают несколько инфракрасных снимков, например по высоте поверхности, и далее на программном уровне изображения совмещают. Для обеспечения совместимости изображения используют привод для движения инфракрасной камеры (тепловизора) или рабочей (на которой производится замер температурного поля) поверхности с фиксированными положениями (с заданными координатами). Привода с шаговыми компьютер; 2 – видеокамера; 3 – галогенная лампа; или ширине исслерабочий участок; 5 – перемещающее устройство с дуемых поверхностей тремя позициями; 6 – система управления устройст- встает необходимость вом 5; 7 – системы поддержания заданных темпера- использования меток.

тур в рабочем участке; 8 – зеркало; 9 – инфракрасная В качестве меток мокамера (тепловизор); 10 – система управления и сбо- гут использоваться ра информации с инфракрасной камеры малые металлические метки, видимые в воспроизводимых инфракрасных изображениях, для чего они должны иметь иную температуру, чем на исследуемой поверхности.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Схема экспериментальной установки для инфракрасного исследования, принятая в работе Т.С.Вишниевского, Т.А.Ковалевского и М.Ребова [18], приведена на рис.3.7. Экспериментальное исследование проведено для переходного и установившегося процесса свободной конвекции в асимметрично нагретом кубическом объеме с длиной грани 38 мм (рис.3.8). В качестве рабочей жидкости в объеме используется дистиллированная вода. Две противоположных вертикальных стены из анодиро- Рис.3.8. Кубический ограниченванной стали приняты изотермическими. ный объем с асимметрично наНа одной из них поддерживается темпера- гретыми стенками тура Tc = 0°C, которая является точкой замерзания, при исследовании замерзания воды или при температуре Tс = 10°C.

На противоположной вертикальной стенке поддерживается температура Th. Заданная постоянная температура стенок поддерживается хладагентом (антифризом за счет обтекания с внешней стороны).

Температура рабочей жидкости внутри ограниченного объема и хладагента управляется термостатами. Другие четыре стенки изготовлены из низкотеплопроводного материала (плексиглаза) толщиной 6 мм. В ходе эксперимента производилось фиксирование с помощью тепловизора Agema инфракрасного изображения передней боковой стенки объема. Изображения получены с расстояния 110 мм. Система управления (с компьютера оператора) использует трехшаговые двигатели для горизонтального и вертикального перемещения инфракрасной камеры (тепловизора) для получения изображения всей поверхности стенки. Все инфракрасные изображения поверхности фиксируются полностью автоматически в пределах 10 секунд. Относительно длинное время релаксации потока позволяет предположить, что все изображения получены в один и тот же момент времени.

На рис.3.9 и 3.10 показаны инфракрасные термограммы боковых поверхностей указанного кубического объема. По данным изображениям легко определить распределения температур, толщины теплового пограничного слоя, восстановить картины течения, оценить контактные сопротивления между стенками объема, рассчитать местные коэффициенты теплоотдачи при заданных распределениях плотности теплового потока.

В итоге можно отметить, что выбор современного оборудования для получения инфракрасного изображения исследуемых поверхностей при свободной конвекции дает точную качественную и количественную информацию по теплоотдаче при соблюдении всех правил проведения теплофизического эксперимента от тарировки и калибровки оборудования до обработки результатов.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Рис.3.9. Инфракрасные термо- Рис.3.10. Инфракрасные термограммы с ограниченного пространства при свободной конвекции (охлаждение воды) Жидкие термохроматические кристаллы используются в теплотехнических экспериментах двумя способами – в виде покрытий для определения распределения температуры на исследуемой поверхности или в виде распыляемых в заданном сечении объема теплоносителя частиц для определения распределения температуры в потоке и восстановления картины течения.

Использование жидкокристаллических частиц для определения распределения температуры в свободноконвективном потоке, восстановления картины течения и определения распределения мгновенной скорости рассмотрим на примере работы Т.С.Вишниевского, Т.А.Ковалевского и М.Ребова [18]. Экспериментальная установка и условия проведения экспериментов описаны в подразделе 3.3.

В среднем сечении объема производится ввод в теплоноситель жидкокристаллических теромохроматических частиц без нарушения картины течения. Для визуализации потока полость освещена светом от галогенной лампы (белого света). Для получения более четкой картины течения можно установить белый фон в виде пластины. Цветные изображения потока с жидкокристаллическими теромохроматическими частицами фиксируются в перпендикулярном направлении с помощью видеокамеры (например, Sony XC-003, как в работе [18]) через прозрачную стенку исследуемого объема. Полученное 24-битное изображение с разрешением 768564 пикселей передается на компьютер для обработки и получения распределения температур и полей скоростей. Пример получаемых в экспериментах изображений приведен на рис.3.11 (нарастание льда на одной из стенок).

Как видно, термохроматические жидкокристаллические частицы могут использоваться как «трассирующие снаряды» в воде для измерения темпераГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией турных и скоростных полей в свободноконвективном потоке. Средний диаметр частиц около 50 µм. Их плотность близка к плотности воды, что позволяет им отслеживать траекторию движения основного потока, в который они вводятся, а их интенсивность рассеяния света позволяет использовать частицы в качестве «трассирующих снарядов» для визуализации потока. Для получения векторных полей скорости цветные изображения «трассирующих снарядов» преобразованы в черно-белые изображения (основной поток – темный, светлые) с последующим применением специальных методов фильтрования в яркие изображения «трассирующих снарядов».

Рис.3.11. Жидкокристаллические карв компьютер цвет и пространствентины температурных полей (а и b), поные координаты кристалла. Цвет лей скоростей в среднем вертикальном сечении ограниченного объема (с и d) ченной кривой температурной градуировки. Цветовой диапазон частиц (их состав) отбирается исходя из заданного диапазона температур в эксперименте.

Точность измерения температуры зависит от фиксирования истинного цвета частиц, выбора материала частиц, обеспечивающего необходимую палитру в диапазоне измеряемых температур (наибольший процент от полного цветового диапазона), точности калибровки (необходим выбор частиц с минимальной нелинейностью зависимости оттенков частиц от температуры) и т.д.

Современная фотография частиц или спеклофотография (spekle – частица, крапинка, точка) основана на использовании компьютерной техники при регистрации и последующей цифровой обработке изображений и расширяет методы визуализации течений.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Течения с переменной плотностью теплоносителя могут визуализироваться традиционными оптическими методами, например, рентгеном, шлиренметодом или интерферометрией. Новшество спеклофотографии заключается в хранении оптических данных и анализе, позволяющем извлечь большое количество экспериментальной информации из единственной спеклограммы с высоким пространственным разрешением (приблизительно 0,2-0,3 мм).

Схема установки для измерения угла отклонения света посредством спеклофотографии был описан У.Вернекинком и В.Мерзкирхом и показана на проходит сквозь сечение рабочего участка. Линза проецирует плоскость данного сечения на пластину матового стекла. Вторая отобраРис.3.12. Схема установки для спеклофотографии жающая линза проецирует плоскость на модель частиц. При двойной экспозиции могут быть получены два значения смещения частиц на одной и той же фотографической пластине. После фотографирования, полученные спеклофотографии обрабытываются тонким лазерным лучом. Измеряя промежутки между интерференционными полосами Юнга и направление интерференционных полос можно определить два значения смещения частиц в каждой спеклофотографии. Эти величины могут быть легко преобразованы в значения углов отклонения света при прохождении течения.

В комбинации с фотографической регистрацией, генерация интерференционных полос Юнга позволяет визуализировать местные температурные градиенты и в турбулентных течениях – анизотропию турбулентности.

Кроме того, мультипроекционные фотографии частиц позволяют восстанавливать трехмерные температурные поля, используя подход томографии при компьютерной обработке спеклофотографий.

Измерение скорости потока при свободной конвекции неизотермических воздушных потоков, движущихся с небольшими скоростями (до 0,6–0, м/с), но с большим уровнем турбулентных пульсаций, возможно с использованием термоанемометра (далее ТА) [19,20]. При этом учитывается, что поскольку в низкоскоростных существенно неизотермических течениях типа свободной конвекции влияние температуры потока и его скорости на горячую нить ТА сравнимы по величине, недостаточно производить калибровку Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией датчика только в изотермическом режиме. Требуется проведение специальной калибровочной процедуры, в ходе которой исследуется реакция ТА как на изменение скорости, так и температуры потока. Поэтому для определения температуры потока термоанемометрический зонд должен быть снабжен дополнительным датчиком температуры потока. Для калибровки термоанемометр датчиков в неизотермической воздушной среде должна быть создана специальная калибровочная установка [21].

При конструировании калибровочной установки может быть реализован абсолютный метод калибровки, когда термоанемометрический зонд движется относительно неподвижного воздуха, что позволило калибровать датчики разнообразных конструкций при скоростях от 1 см/с до 50 см/с и при температурах воздуха от 20 до 80°С. Время калибровки составляет 1,5–2 часа, а результаты с помощью специальной программы обрабатываются и обобщаются в виде модифицированного закона Кинга [21].

При использовании ТА для измерении очень малых скоростей на теплообмен воздуха с горячей нитью начинает оказывать заметное влияние свободная конвекция от самой нити. По этой причине теплоотдача от нити может отличаться (обычно в большую сторону) от значений, определяемых законом Кинга.

В работе [21] проведён анализ смешанной конвекции от тонких нитей и от толстых цилиндров. Эти результаты обобщены в виде следующих зависимостей:

где Re mix = w mix d / f, Re lim = w lim d / f – числа Рейнольдса, d – диаметр нити, Grd = g(Tw Tf )d 3 / f – число Грасгофа, Tw – температура нити ТА, w mix – «предельная скорость смешанной конвекции», w lim – «характеристическая точка смешанноконвективиого режима», – коэффициент объёмного расширения воздуха.

На практике можно рекомендовать использовать полученные зависимости (3.4) и (3.5) для определения минимальной скорости, при которой выполняется закон Кинга (т.е. w mix ), и минимальной скорости, при которой горячая нить может быть использована в качестве чувствительного элемента термоанемометра (т.е. w lim ).

Учет влияния температуры воздуха на показания ТА (или термокомпенсация сигнала ТА) производится на основе данных, полученных при калибровке датчика и измерения мгновенного значения температуры в данной точке потока. Предложенная методика термокомпенсации по актуальной температуре (далее – методика ТКАТ) не накладывает никаких ограничений Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией ни на степень неизотермичности потока, ни на интенсивность пульсационного движения.

В процессе исследования свободноконвективных пограничных слоев обычно [21] измеряются 2 компоненты [продольная (вдоль поверхности) и поперечная (по нормали к поверхности)] вектора скорости и температуры.

Рис.3.13. Схема трехниточного зонда температуры. Одна из нитей быть горячими и служить датчиком ТА. При этом сигнал, снимаемый с нити ТС, служит для измерения температуры, а также используется для термокомпенсации сигнала ТА. Конструкция и размеры трехниточного зонда, предложенные в работе Ю.С.Чумакова [21], изображены на рис.3.13.

При визуализации течения в теплоноситель обычно добавляют присадку, отличающуюся цветом. При этом необходимо учесть, что присадка должна иметь плотность такую же, как и основной теплоноситель. В качестве присадок при исследовании свободноконвективных течений газа используют дым, при исследовании свободноконвективных течений жидкостей - различные красители и индикаторы.

Для визуализации течения свободноконвективных течения в воде используют тимоловый синий рН-индикатор. Соответствующая электрохимическая методика основана на обусловленном пропусканием постоянного тока изменении показателя рН, что вызывает изменение цвета жидкости. Образующаяся таким образом жидкость-трассер обладает нейтральной плавучестью и в точности повторяет движение, вызванное свободной конвекцией.

Чтобы получить требуемое изменение цвета, к воде рабочей камеры добавляют три вещества: кислоту (соляную), щелочь (едкий натр) и рН-индикатор (тимоловый синий).

Сначала к воде добавляют индикатор, растворения которого добиваются путем интенсивного перемешивания. Полученный раствор титрируют до конечной точки едким натром. На этом этапе раствор имеет интенсивный сиГидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией ний цвет. Затем с целью получения слабокислотного раствора добавляют соляную кислоту. В результате раствор приобретает красно-желтый цвет.

Если на два погруженных в раствор электрода подать от источника с регулируемым напряжением слабый постоянный ток (напряжением менее 6 В), то в растворе начнется электрохимическая реакция, и значение показателя рН вблизи отрицательного электрода изменится с кислотного на щелочное. Это изменение рН сопровождается изменением цвета жидкости (с красно-желтого на синий). Путем надлежащего расположения отрицательного электрода можно выявить различные особенности картины течения жидкости.

Положение и тип используемого в экспериментах отрицательного электрода определяется конкретной исследуемой картиной течения. Положительным электродом, например, может служить медный лист, расположенный на дне рабочей камеры. Напряжение на лист прикладывается в прерывистом режиме во избежание образования пузырьков водорода. Следует отметить, что вследствие большого сопротивления электрохимического контура (где основное сопротивление приходится на воду) ток должен быть небольшим. Малый постоянный ток в сочетании с небольшим напряжением вызывает нагрев медных пластин, который пренебрежимо мал по сравнению с нагревом исследуемых поверхностей.

Для наблюдения за движением жидкости-трассера в изоляции наружной камеры выполняется прорезь. Через вторую прорезь в изоляции противоположной стенки камеры осуществляется подсветка течения. Поток света обычно создается фотоосветительной лампой и рассеивается, проходя через белый пластик.

В исследованиях на поверхности пластины образуется синяя жидкость, которая подхватывается свободноконвективным потоком. Картина течения наблюдается как вдоль пластины, так и у выхода из канала. По зафиксированной картине течения можно судить о режиме течения, особенностях обтекания препятствий, устанавливаемых при необходимости на исследуемой пластине, скорости течения, толщине пограничного слоя и т.д.

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией Глава 4. Гидродинамика и теплообмен внешних свободноконвективных течений (поверхности с постоянной температурой) Экспериментально установлено, что существует три режима переноса теплоты в зависимости от произведения Gr Pr. При первом режиме теплоотдача слабо зависит от произведения Gr Pr, и теплота переносится в основном вследствие теплопроводности. При втором режиме существует ламинарный пограничный слой, и теплота переносится в основном вследствие свободной конвекции при ламинарном режиме движения жидкости. При третьем режиме теплота переносится вследствие свободной конвекции при турбулентном режиме движения жидкости.

Для получения расчетных зависимостей для теплоотдачи при свободной конвекции возможно использование как аналитических и численных решений, особенно для области ламинарных течений, так и экспериментальных методов.

4.1. Ламинарная свободная конвекция вдоль вертикальных плоских Задачам свободной конвекции на изотермических вертикальных пластинах уделялось большое внимание, поскольку они не только отличаются простотой, но и имеют практическое значение. Теоретические решения задач для этой геометрии большей частью основаны на предположениях о том, что пластина, погруженная в бесконечно экспериментальных данных. Аналогичный вид зависимостей оказывается пригодным и для других геометрий и условий. Поэтому сначала рассматриваются теоретические решения, а затем экспериментальные результаты.

Рис.4.1. Расчетная Для простоты предполагают, что пластина являмодель свободноется на всем протяжении обогреваемой, а движение конвективного теподъемным. Очевидно, что эти результаты применимы чения около вертии для охлаждаемых пластин и опускного течения.

кальной стенки Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией А.С.Сукомела [22] приводятся результаты аналитического решения задачи течения и теплообмена при свободной конвекции вдоль вертикальной пластины.

При решении принимались следующие допущения. Пусть вертикальная пластина с неизменной температурой поверхности, равной t w, находится в жидкости или газе. Жидкость вдали от пластины неподвижна (вынужденное течение отсутствует), температура жидкости вдали от пластины постоянна и равна t 0.

Для простоты вычисления примем, что t w > t 0 (однако полученные результаты будут справедливы и для обратного соотношения температур). При этом у пластины появляется подъемное движение нагретого слоя жидкости. Вдали от пластины скорость по-прежнему равна нулю. Расположим начало координат у нижней кромки пластины, а ось Оу – нормально к ее поверхности (рис.4.1). Будем полагать, что пластина вдоль оси Оz бесконечна. Процесс стационарный.

Для упрощения решения задачи примем следующие допущения:

1) силы инерции пренебрежимо малы по сравнению с силами тяжести и вязкости;

2) конвективный перенос теплоты, а также теплопроводность вдоль движущегося слоя жидкости можно не учитывать;

3) градиент давления равен нулю;

4) физические параметры жидкости (исключая плотность) постоянны;

плотность является линейной функцией температуры.

Полагалось, что температура в движущемся слое жидкости изменяется по уравнению где = t t 0 ; w = t w t 0 ; согласно условиям задачи w = const.

В качестве граничных условий принималось: = w при у=0 и = 0 при Решение позволило получить зависимость для распределения скоростей в движущемся слое ждкости:

На рис.4.2 приведено распределение скоростей и температур согласно приведенным зависимостям. Максимум скорости в пограничном слое при свободной конвекции вдоль вертикальной пластины соответствует значению координаты y, равной Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией скорости согласно уравнениям В ходе решения для расчета местных коэффициентов теплоотдачи получено критериальное уравнение в виде Средняя теплоотдача вертикальной пластины при t w = const в ламинарном течении Коэффициенты пропорциональности в формулах для теплоотдачи нуждаются в некоторых уточнениях. Формулы получены при ряде упрощающих допущений. В частности, при выводе этих формул не учитывались силы инерции. Расчеты, проведенные с учетом сил инерции, показывают, что коэффициент пропорциональности в формулах зависит от числа Прандтля. Результаты точных решений, выполненных К.Польгаузеном, Х.Чу, О.А.Саундерсом, Дж.Л.Греггом и Э.М.Спэрроу, приведены на рис.4.3 по данным работы [23].

Здесь с = Nu x (Grx Pr )0, 25. Наиболее существенно проявляется влияние инерционных сил при небольших значениях чисел Прандтля. Кроме того, из рис.4. Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией следует, что интенсивность теплоотдачи при постоянной температуре стенки примерно на 7% меньше, чем при постоянной плотности теплового потока на стенке. Помимо других причин, величина коэффициентов пропорциональности зависит от выбора определяющей температуры.

Рис.4.3. Грфик зависимости теплоотдачи при свободной конвекции от числа Прандтля: 1 – q w =соnst; 2 – t w = const Экспериментальные исследования показали, что при числах Прандтля, больших чем 0,7, опытные данные можно описать формулами вида (4.5) и (4.6) с постоянными коэффициентами, однако значение коэффициентов несколько иное, чем в полученных формулах. Помимо других причин, величина коэффициентов пропорциональности зависит от выбора определяющей температуры.

Результаты численного расчета, полученного С.Острачом [24], по местной и средней теплоотдаче обобщаются зависимостями:

справедливыми при 10 4 < Grx Pr < 109, Pr= 0,01….1000 для таких интервалов изменения температурного напора t, в которых µ и мало изменяются. Однако и для больших t, если физические свойства относить к средней температуре пограничного слоя t m = ( t w t 0 ) /2, получается удовлетворительное совпадение с экспериментом, причем и при t w = const, и при q w = const. Здесь Nu x = x /, Nu L = L /, – средний коэффициент теплоотдачи, L – высота пластины, х – координата, отсчитанная от начала развития пограничного слоя, Для случая ламинарного режима течения в пограничного слое при условии постоянства температуры стенки Э.Дж.Ле Февре получил следующие предельные решения:

Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией С.Острач [24] получил решения для промежуточных чисел Pr. Эти значения с точностью 0,7% описываются с помощью следующего эмпирического уравнения С.У.Черчилля и Р.Усаги: