Экспериментальное определение и разработка обобщенной методики расчета коэффициента теплоотдачи плоской поверхности к потоку газовзвеси

Потоки газа, содержащего мелкие твердые частипы, интересуют многих специалистов, что объясняется распространением этих потоков в различных областях промышленности. Причем сфера их технического приложения постоянно расширяется. Наряду с такими традиционными отраслями как химическая, металлургическая, пищевая они получают распространение в ракетно-космической, противопожарной технике, при разработке средств, предотвращающих загрязнение атмосферы. Например, в работе [317 сообщается о применении смеси воздуха и летучей золы для дистанционной локализации очага пожара на угольной шахте.

В последнее время газовзвеси рассматриваются как один из перспективных теплоносителей в энергетических и теплоиспользуто-щих установках, например, в высокотемпературных ядерных реакторах. Сейчас прорабатывается возможность применения в таких реакторах в качестве теплоносителя запыленного гелия.

Для газовых теплоносителей характерны небольшие значения коэффициентов теплоотдачи и низкая объемная теплоемкость при невысоких давлениях. Поэтому установки с такими теплоносителями обычно имеют большие габариты и характеризуются значительными затратами на перекачку газа. Добавление в поток газа мелких твердых частиц увеличивает объемную теплоемкость потока, а теплообмен между компонентами интенсифицирует теплоотдачу в системе газ-стенка. При высоких температурах поверхностей нагрева теплоотдача возрастает также за счет лучистого теплообмена между стенкой и частицами. В связи с этим при запылении газа появляется возможность снижения его рабочего давления или объемного расхода.

Среди потоков газовзвеси наиболее интенсивно охлаждают нагретые поверхности аэрозоли — потоки газа с частицами размером не более нескольких микрон. Кроме того присущие потокам аэрозолей надежность циркуляции, неизменность гранулометрического состава твердого компонента, тепловая и гидродинамическая безинер-ционность являются важными факторами при практическом использовании аэрозолей в качестве теплоносителей нового типа. Имеющиеся технико-экономические расчеты указывают на эффективность применения аэрозолей для охлаждения в ядерных энергетических установках.

Для многих технических приложений газовзвесей большое значение имеет знание закономерностей теплообмена и гидродинамики таких систем. Расчет многих установок в энергетике, металлургии, химической промышленности и выбор оптимальных режимов их работы возможны только на основе данных по теплообмену запыленных газов. Эти данные необходимы также в ракетно-космической технике для обеспечения тепловых режимов ракетных двигателей и космических аппаратов в условиях воздействия на них запыленных газовых потоков. Оценка эффективности применения газовзвесей в качестве теплоносителей также возможна только на основе данных, описывающих изменение теплоотдачи и гидравлического сопротивления при добавлении в поток твердых частиц.

Сведения по гидродинамике имеют большое значение в пневмотранспорте различных сыпучих сред. Они необходимы также для понимания механизма теплообмена потоков газ-твердые частицы.

Несмотря на большое число работ, посвященных изучению тепло обмена и гидродинамики потоков газовзвеси, данная проблема еще далека до своего окончательного решения. Это связано, во-первых, со сложностью протекающих в таких системах процессов и большим количеством определяющих факторовво-вторых, с многообразием систем газ-твердые частиш.

В настоящей работе исследуется местная теплоотдача при обтекании плоской поверхности потоком аэрозоля. Плоская поверхность /пластина/ является широко распространенным элементом поверхностей теплообменных аппаратов и устройств. Даже начальные участки таких элементов, как трубы, с позиций протекания в них тепловых и гидродинамических процессов можно рассматривать как пластину. Обтекание тел различной формы в первом приближении также можно изучать на примере плоской поверхности. Поэтому знание закономерностей теплообмена на пластине имеет большое практическое значение.

Исследование теплоотдачи плоской поверхности к запыленному газу представляет и научный интерес. Теплообмен пластины тесно связан с гидродинамикой ее обтекания. Б связи с этим появляется возможность установить такую связь для газовзвесей и углубить наши знания о механизме теплообмена в неоднородных средах.

Автор считает необходимым выразить благодарность научному руководителю профессору Сукомелу A.C., к.т.н. доценту Цветкову Ф. Ф., к.т.н. Керимову Р. В., постоянное внимание и поддержка которых способствовали улучшению работы.

П. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Исследованию теплообмена и гидродинамики потоков газовзвеси посвящено довольно много работ. К настоящему времени написан ряд монографий /~I-5J, в которых с общих позиций рассматривается большой круг задач гидродинамики и теплообмена различных дисперсных систем, в том числе и газовзвесей.

Наиболее обширные исследования проведены для случая движения запыленного газа в трубах и каналах. Накопленные данные систематизированы в монографии [6]. Экспериментальные исследования позволили выявить влияние некоторых определяющих факторов и дать рекомендации по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления между стенкой и потоком.

В то же время работы, в которых исследуется теплообмен и гидродинамика при внешнем обтекании тел потоком газовзвеси весьма малочисленны. В основном они посвящены теоретическому исследованию гидродинамики.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана и проверена методика исследования теплоотдачи плоской поверхности в небольшой цилиндрической камере. Получено уравнение, описывающее теплоотдачу пластины, находящейся в такой камере. Как следует из уравнения, теплоотдачу такой пластины можно определять как теплоотдачу пластины, обтекаемой неограниченным потоком, а влияние геометрии камеры учитывать дополнительным параметром.

2. Спроектирована и создана установка для экспериментального исследования местной теплоотдачи к потоку аэрозоля.

3. Получены опытные данные по местной теплоотдаче плоской поверхности к потоку аэрозоля. Исследованием охвачена область весовой расходной концентрации К от 0 до II и чисел Ив у от 750 до 96 000. В этом диапазоне параметров потока аэрозоля не обнаружено возрастания местной теплоотдачи по длине поверхности, характерного для перехода от ламинарного режима течения в пограничном слое к турбулентному.

4. Опытные данные обобщены в виде зависимости, удобной для практических расчетов.

5. Рассмотрена возможность описания потока аэрозоля на основе квазигомогенной модели и модели двухскоростной сплошной среды. Показана правомерность такого описания.

6. На основе модели двухскоростной сплошной среды аналитически решена задача о теплоотдаче пластины к ламинарному потоку аэрозоля при граничном условии 1сгсопб1 .

7. Для полученного решения разработана методика, составлена программа и проведены численные расчеты местного коэффициента теплоотдачи.

8. На основе аналитического решения и численных расчетов получено критериальное уравнение, которое описывает местную теплоотдачу плоской поверхности к потоку аэрозоля в диапазоне концентраций частиц К=0- 50, теплоемкостей Ст/Со =0- 5, плотностей Ю4.

В первом приближении модель двухскоростной сплошной среды дает такие же результаты как и квазигомогенная модель.

9. Оценена область применимости квазигомогенной модели. Для оценки предложено критериальное уравнение.

10. При сравнении опытных данных с данными других авторов и результатами аналитического решения для всех опытных данных обнаружено возрастание степени числа /?ел,*по сравнению с аналитическим решением. Для объяснения этого необходимы тщательные экспериментальные исследования структуры потоков газтвердые частицы.