Экспериментальное исследование гидродинамики входных цилиндрических коллекторов теплообменников

Для надежной работы теплообменных устройств необходимо обеспечить равномерное распределение расхода теплоносителя на входе в теплообменник, что существенно зависит от гидродинамических характеристик элементов входных устройств, и прежде всего от формы и размеров напорных камер теплообменника, которые называют цилиндрическими коллекторами.

Существующие экспериментальные данные о гидродинамике цилиндрических коллекторов носят разрозненный характер [1−4], учитывают отдельные факторы, отсутствуют достаточно подробные исследования распределения полей скоростей теплоносителя на входе в теплообменник, что крайне важно для определения температурных режимов работы элементов теплообменника.

Поэтому был разработан, изготовлен и запущен в эксплуатацию стенд, реализующий легко перенастраиваемую аэродинамическую модель входного устройства теплообменника для исследований в широком диапазоне геометрических и режимных параметров.

Вход в исследуемую модель (рис.1) представляет собой восемь патрубков, равномерно распределенных по окружности, переходящих в диффузоры 1. В каждом из диффузоров расположены четыре лопатки 2, служащие для выравнивания потока. Лопатки имеют поперечные прорези, что позволяет закрепить их на основании модели и диффузора и, перемещая по длине прорези, менять распределение потока. Пройдя диффузоры, воздух поступает в зазоры между двумя обечайками 3 и 4 конфузорного сечения. Далее воздух поступает в кольцевой зазор, образованный двумя фланцами 5 и 6 и проставочным кольцом 7. В этом зазоре по ходу воздуха расположены 48 лопаток — 8, которые позволяют закручивать поток воздуха от 0 до 30°. Пройдя зазор с лопатками, воздух поступает в кольцевой зазор между обечайками 9 и 10, имитирующий опускную щель теплообменника. Величина зазора может изменяться путем изменения наружного диаметра обечайки 9. Далее воздух, поворачивая на 90°, поступает в зазор между крышкой 11 и перфорированной решеткой 12, имитирующей входную напорную камеру. Величина зазора и форма камеры могут изменяться путем установки днищ различных конфигураций и кольцевых прокладок между крышкой 11 и обечайкой 10. Меняя перфорацию решетки 12, можно изменять величину затеснения на выходе из камеры. Пройдя решетку, воздух попадает в выравнивающую камеру — пространство между двумя решетками, а затем выбрасывается на пневмозонд.

цилиндрический коллектор теплообменник теплоноситель.

Рисунок 1 Схема базовой модели входной камеры 1 — диффузоры; 2 — лопатки; 3,4 — обечайки; 5,6 — фланцы; 7 — проставочное кольцо; 8 — лопатки; 9,10 — обечайки; 11 — крышка; 12,13 — решетка; 14 — система измерения скорости потока на выходе из модели

Основные узлы модели являются разбираемыми и заменяемыми, что позволяет легко и быстро изменять геометрические характеристики исследуемых камер и других элементов гидравлического тракта. Так, например, для изменения параметров кольцевого зазора достаточно установить одну из смежных обечаек 9 с другими наружным диаметром. Если необходимо увеличить высоту камеры, то устанавливается обечайка нужной высоты. Для изменения формы днища 11 достаточно снять 11 и установить на его внутренней поверхности при помощи винта одно из днищ нужной конфигурации. Для изменения величины зазора между днищем и решеткой достаточно установить дополнительную прокладку между обечайкой 9 и днищем 11. Для создания максимального зазора вместо прокладок устанавливается проставочное кольцо необходимой высоты.

Конструктивное решение обечайки, на которой установлена перфорированная решетка 12, позволяет изменять не только величину затеснения на выходе из напорной камеры путем установки решетки с другой перфорацией, но и устанавливать дополнительные, выравнивающие поток решетки. Конструкция пневмозонда 14 обеспечивает фиксацию одновременно сорока значений давлений в потоке. Кольцо с импульсными иглами может поворачиваться (с шагом через 5°) на 90° в плоскости, перпендикулярной потоку, давая возможность получить не только мгновенное радиальное распределение скоростей потока, но и распределение их по окружности. Жесткая фиксация поворотного кольца обеспечивает необходимую точность измерения.

На стенде выполнен большой объем экспериментов. Некоторые результаты исследований показаны на рис. 2.

Данные получены для плоской напорной камеры с выходной решеткой, имеющей относительно небольшое гидравлическое сопротивление.

Конструкция стенда позволяет имитировать различные виды возмущений на входе в модель входного устройства и при этом изменять расход теплоносителя через подводящие патрубки путем их плавного перекрытия и отключения от до 1/8. Конструктивное исполнение модели входного устройства допускает переход от одних геометрических соотношений во всех трех составляющих её элементах к другим, а также вычленение необходимого элемента тракта входного устройства для индивидуального исследования.

Рисунок 2 Распределение относительной скорости на выходе из выходного устройства: а) — при равномерном подводе воздуха; б) — при ассиметричном подводе воздуха Гидравлический тракт для подвода воздуха в опускной кольцевой канал (рис. 3) был образован опорной плитой 1, обечайками 2 и 3, фланцем 4, кольцом 6 и фланцем 5. Модель опускного участка представляет собой две концентрические обечайки 7 и 8 высотой 200 мм.

Рисунок 3 Схема модели для исследования опускного участка 1 — опорная плита; 2, 3 — обечайки; 4, 5 — фланец; 6 — кольцо; 7, 8 — обечайки; 9 — лопатки; 10 — сменное кольцо; 11 — винты;12 — поток воздуха; Ш — переменный диаметр

Обечайки крепятся на двух опорных фланцах 4 и 5, между которыми осуществляется подвод воздуха по восьми подводящим патрубкам, равномерно расположенным по окружности. Наружный диаметр внутренней обечайки 7 равняется 220 мм, внутренний диаметр наружной обечайки 8 — 232,6 мм. Таким образом, величина кольцевого канала равняется 6,3 мм. На нижнем опорном фланце размещались разделительные перегородки (на рисунке не показаны), которые сохраняли автономность подвода воздуха от каждого патрубка вплоть до кольцевого канала. На торце обечайки 7 устанавливались сменные кольца 10, которые создавали гидравлическое сопротивление на выходе из кольцевого канала. Кольцевой зазор при установке сменных колец равнялся 4 и 2,65 мм. В модель подавался воздух от воздуходувки производительностью =2500 м³/ч и давлением =4000 Па. Скорость воздуха на выходе из канала замерялась с помощью трубок Пито, установленных на корпусе обечайки 8. Причем, в начале кольцевого канала производился отбор статического давления с помощью датчика, установленного в отверстии корпуса обечайки 8. Выше, на одной линии ним, располагалась трубка Пито, замерявшая полное давление потока. По разности полного и статического давлений определялось динамическое давление потока и, следовательно, его скорость. На верхнем торце обечайки 8 размещалась трубка Пито, замерявшая динамическое давление потока на выходе из кольцевого канала. Обечайка 8 вместе с закрепленными на ней датчиками давлений поворачивалась вокруг своей оси через 4,5°, Таким образом, всего по окружности кольцевого канала давление измерялось в 80 точках, то есть по десять точек на каждый патрубок. Значения локальных скоростей, относились к среднерасходной скорости через кольцевой канал. При высоте обечаек =200 мм, коэффициент гидравлического сопротивления канала со сменными кольцами определялся как сумма потерь давления на местные сопротивления и трение в канале [4]:

. (1).

Значение, и определялись как отношение перепада полного давления на входе и выходе канала к динамическому напору на выходе из него, т. е.. Величина определялась по справочной литературе [4].

Перед проведением экспериментов были определены числа Рейнольдса при равномерном расходе через все восемь патрубков на выходе из кольцевого канала со сменными кольцами и без них. Все замеры проводились при температуре воздуха =20°С. Число Рейнольдса без сменных колец составило =5•10⁴, при зазоре =4 мм — = 4,1•10⁴, при зазоре =2,65 мм — =3,2•10⁴.

На модели опускного кольцевого канала были проведены эксперименты с различными возмущениями на входе и разными гидравлическими сопротивлениями на выход из него. Все исследования проводились при высоте канала = 200 мм.

Погрешность измерения скоростных напоров определялась во-первых, погрешностями непосредственного измерения скоростного напора, во вторых, искажениями профиля скорости по сечению выходного канала. Рассмотрим эти погрешности.

Поток за решеткой образуется системой затопленных струек. При этом свойства затопленной струи в нашей установке с диаметром канала после решетки равным 188 мм поток сохраняет на расстоянии:, т. е. равно 260 мм.

Статическое давление внутри потока, начиная от плоскости выхода из решетки и до некоторого сечения, будет меньше давлений окружающей среды. Для условий исследования минимальное расстояние до сечения, в котором давление в струе меньше давления окружающей среды равно:

мм, (2).

где — диаметр отверстий решетки, 6 мм;

— относительная координата самого узкого места потока, равная 1,8.

Далее за этим сечением поток расширяется и давление восстанавливается.

Таким образом, в промежутке между координатами сечений и струя обладает свойствами затопленной и развивается по закону турбулентных затопленных струй со свободными границами. Полуугол раскрытия такой струи 15⁰ при истечении через одиночную решетку в неограниченное пространство [5]. Расстояние от выхода из решетки до плоскости измерений выбираем в промежутке сечений и, т. е. равно 50 мм.

При этом плоскость измерения пересекает начальный участок свободной затопленной струи. На краях этой струи имеется пограничный слой. Распределение скоростей в этом слое обусловлено взаимодействием струи с окружающим воздухом и условия на выходе из решетки не проявляются в этой зоне.

Поэтому необходимо оценить толщину пограничного слоя в сечении, в котором производятся измерения поля скоростей.

Исходя из условия формирования струи, приращение площади в этом месте составит:

откуда, (3).

где — диаметр струи на расстоянии равном 50 мм;

— приращение диаметра струи, равное 15,84 мм;

— вертикальная координата сечения, в котором производится измерение скоростного поля;

— полуугол раскрытия струи, равный 15⁰;

— диаметр струи в плоскости выхода потока из решетки.

Толщина пограничного слоя в сечении на расстоянии определяется из выражения:

. (4).

В исследуемой установке толщина пограничного слоя в сечении, в котором измеряется поле скоростей равна: мм.

Таким образом, приращение поперечного размера струи в измеряемом сечении составляет величину не более 10%, из которых половина приходится на толщину пограничного слоя. Поэтому влиянием пограничного слоя на распределение скорости в потоке за решеткой на расстоянии, равном 50 мм, можно пренебречь.

В нашей установке поле скоростей определяется по измерениям скоростных напоров с помощью трубок Пито, закрепленных в координатнике. Отсчет показаний производится по разности уровней столба жидкости наклонного или U-образного манометров. При этом измеряются — разность уровней столбца жидкости плотностью, температура потока, барометрическое давление и относительная влажность воздуха. С помощью этих измерений определяется скорость по формуле:

(5).

где — показания манометров, соответствующие начальному и изменяющемуся уровням жидкости;

— коэффициент манометра, обычно указывается в паспорте прибора;

— коэффициент наклона манометра;

— весовая плотность жидкости, залитой в манометр;

— коэффициент калибровки приемника скорости, равный 0,98;

— номер трубки Пито на координатном устройстве системы измерений.

— коэффициент поля трубы, учитывает отклонение действительного значения скорости в месте размещения приемника от истинного значения.

Относительная погрешность определения скорости складывается из частных погрешностей измерения перепада давлений и частных погрешностей, с которыми определяются все входящие в (5) коэффициенты:

(6).

где — погрешность вычислений.

Значения величин, входящих в (6) приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения величин.

Так, для минимального скоростного напора = 0,98 Па, равно 0,05 и погрешность определения скорости: = 0,0324.

Среднее во всем диапазоне измерения скоростных напоров значение погрешности при определении скорости равно примерно 2,25%.

Результаты экспериментов позволяют сделать следующие выводы:

• 1. Неравномерность на выходе из опускного кольцевого канала пропорциональна неравномерности на входе в него.
• 2. Увеличение гидравлического сопротивления на выходе из входной камеры до = 13 приводит к уменьшению неравномерности выходного поля скоростей.
• 3. Зависимость коэффициента неравномерности (отношение наибольшей и наименьшей локальной скорости теплоносителя в потоке) от величины выходного сопротивления носит линейный характер для режимов, когда расход подается в канал через один патрубок и при азимутальной неравномерности смещения расхода на 20%.
• 4. При = 0,9 разница в значениях и для всех режимов составляет 0,04, что дает основание предположить, что при — выходная неравномерность для всех режимов будет одинакова и практически равна нулю.

• 1. Фомичев М. С., Березина Б. Ш., Емельянова А. Л. Исследование гидродинамической структуры потока в кольцевой полости на модели реактора корпусного типа с защитным экраном. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Реакторостроение. 1976. № 2 С. 68−89.
• 2. Решетов В. А., Смирнов В. П., Никулова Т. А. Гидравлика кругового раздаточного коллектора. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Реакторостроение. 1978. № 2 С. 65−74.
• 3. Быстров П. И., Михайлов В. С. Гидродинамика коллекторных теплообменных аппаратов. М.: Энергоиздат, 1962. 379 с.
• 4. Олейник В. Н. Определение параметров потока в опускном кольцевом канале реактора. // Атомная энергия. 1980. № 3. С. 327−329.
• 5. Бахарев В. А., Трояновский В. Н. Основы проектирования и расчета отопления и вентиляции с сосредоточенным выпуском воздуха. М.: Профиздат. 1958. 286 с.