8-17 Б.П. Жилкин, Х. Дашпунцаг, С.В. Зайцева, А.Н. Шуба

УДК 533.601
ВНУТРЕННЕЕ ТЕПЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В КОАКСИАЛЬНЫХ
ЗАКРУЧЕННЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЯХ
Б.П. Жилкин, Х. Дашпунцаг, С.В. Зайцева, А.Н. Шуба
Уральский государственный технический университет - УПИ, Екатеринбург, Россия
Обнаружено, что интенсивность теплового взаимодействия при смешении
центрального и периферийного потоков в струе, сформированной двухканальным
аксиальным завихрителем, зависит от величины крутки, определяемой
конструктивно-режимным параметром, и от отношения импульсов потоков во
внутреннем и внешнем каналах.
Полученные данные по тепловому взаимодействию были обобщены в виде
уравнения подобия.
Ключевые слова
Тепломассообмен, закрутка потока, коэффициент теплового взаимодействия
Условные обозначения
KLθx – линейный коэффициент теплового взаимодействия, Вт/(м*К); Lθx –
периметр характерной изотермы в продольном сечении струи, мм; Qx – тепловой поток,
Вт/м2; W1, W2 – среднерасходные скорости газовых потоков на входе во внутренний и
внешний завихрители соответственно, м/с; dэ - эквивалентный гидравлический
диаметр, мм; nCRd - конструктивно-режимный параметр крутки для двухрядного
аксиального завихрителя; q - отношение импульсов; t1 и t2 – соответственно исходные
температуры горячей
и
холодной сред, К; ρ1 и ρ2 – соответственно плотности
сред во внутреннем и внешнем каналах, кг/м3; θx – безразмерная температура.
Введение
Закрутка потока может интенсифицировать тепломассообмен между средами,
участвующими в различных технологических процессах. Количественная оценка этого
эффекта весьма затруднительна. Поэтому был предложен [1] для осесимметричных
течений линейный коэффициент теплового взаимодействия (коэффициент
теплопередачи) KLθx, при формировании которого использовалось положение о том, что
чем выше интенсивность теплового взаимодействия, тем меньше размеры области
потока, ограниченной изотермой с заданной температурой.
1. Описание метода
1.1. Схема установки. Центральной частью экспериментальной установки для
исследования струи, сформированной двухканальным аксиальным завихрителем
(рис.1), является струеобразующий аппарат в виде двух сменных коаксиальных
завихрителей 8 с автономным подводом воздуха. Перед каждым завихрителем имелся
прямоточный участок гидродинамической стабилизации. Подача воздуха в каналы
осуществлялась вентиляторами 3, приводимыми электродвигателями 2. Расход воздуха
регулировался числом оборотов вентилятора путѐм изменения напряжения,
подаваемого на электродвигатель, посредством лабораторного автотрансформатора 1.
Определение расхода воздуха осуществлялось с помощью ротаметров 4.
Температура воздуха в обоих каналах измерялась медь-константановыми термопарами.
Измерение
газодинамических характеристик
потока
осуществлялось
пятиканальным пневмометрическим датчиком 9 с описанным диаметром носика 1,3мм.
Сигнал от зонда в виде совокупности давлений среды поступал к микроманометрам 7.
Для перемещения зонда в области потока, выходящего
из
завихрителя,
использовалось координатное устройство 10, которое жестко закреплено на станине 11.
Координатное устройство обеспечивало перемещение зонда по трѐм взаимно
перпендикулярным направлениям X, Y, Z.
Для исследования теплообмена струи внутренний поток нагревался в
воздухоподогревателе 14 до температуры 85...90ºС, а вместо зонда 9 в координатное
устройство устанавливалась медь-константановая термопара с диаметром горячего спая
0,3 мм.
Z
7
9
Y
X
8
10
7
11
4
3
6
5
1
14
12
13
1
4
3
2
2
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - лабораторный
автотрансформатор; 2 - электродвигатель; 3 - вентилятор; 4 - ротаметр; 5 - внутренний
канал; 6 – внешний канал; 7 - микроманометры; 8 завихритель; 9 пневмометрический датчик; 10 - координатное устройство; 11 - станина; 12 электронный
милливольтметр;13
–
термостат,
14
–
электрический
воздухоподогреватель
Изучалось тепловое взаимодействие между двумя коаксиальными закрученными
потоками, формируемыми аксиальными завихрителями. Применялись 6 комбинаций
внутреннего и внешнего завихрителей со следующими углами установки лопаток (по
внутреннему и внешнему каналам соответственно): (I) -45º/45º; (II) 45º/45º; (III) 30º/30º; (IV) 30º/30º; (V) -15º/15º; (VI) 15º/15º, где знак «-» указывает на закрутку
потока против часовой стрелки, «+» – на закрутку потока по часовой стрелке, если
смотреть в направлении потока. Диаметр проходного канала внутреннего завихрителя
был постоянным и равнялся 24,5 мм. Диаметр внешнего завихрителя составлял для
комбинации I, II - 50 мм, для III, IV – 46.5 мм, для V, VI – 41 мм. Эквивалентный
гидравлический диаметр завихрителей dэ=10мм. Среднерасходная скорость газовых
потоков W1, W2 на выходе из завихрителя изменялась от 10 до 20 м/с (1, 2 –
соответственно номера внутреннего и внешнего завихрителей)
1.2. Метод исследований. Для определения интенсивности теплового
взаимодействия при смешении сред использовалась методика, разработанная на
кафедре теоретической теплотехники УГТУ-УПИ. В еѐ основе лежит положение о том,
что чем выше интенсивность теплового взаимодействия, тем меньше размеры области
потока, ограниченной изотермой с заданной температурой. При наличии осевой
симметрии температурного поля в качестве характерного размера этой условной
границы раздела на стадии смешения «x» принимается периметр поверхности сечения
Lθx с определенной безразмерной температурой θx. Тогда линейный коэффициент
теплового взаимодействия (коэффициент теплопередачи):
Q
K
θ
x
t ) L
(t
12θ x
,
(1)
где Qx – тепловой поток, переданный на данной стадии «x» смешения,
характеризующейся безразмерной температурой θx=(tx-t2)/(t1-t2); t1 и t2 – соответственно
исходные температуры горячей и холодной сред; Lθx – периметр характерной
изотермы в продольном сечении струи.
2. Результаты
2.1. Интенсивность теплового взаимодействия закрученных потоков.
Обнаружено, что интенсивность теплового взаимодействия при смешении
центрального и периферийного потоков в струе, сформированной двухканальным
аксиальным завихрителем, зависит от величины крутки, определяемой конструктивнорежимным параметром nCRd.
2
n CRd
i 1
n A i ρ iWi
2
Fi D i pв
k
2
Dг
i 1
ρ iWi
2
R
,
(2)
Fi
где знак «+» указывает на закрутку потока по часовой стрелке, если смотреть в
направление течения, «-» - против часовой; Fi – площадь кольцевого сечения i-го
канала; Dipв – диаметр круга, площадь которого равна выходному сечению кольцевого
канала i-го потока; Dг – диаметр круга, площадь которого равна выходному сечению
завихрителя; kR = 2,4((Re1+100)/Re2)-0.6 – режимный коэффициент, Re1=W1·dэ/υ1 и
Re2=W2·dэ/υ2– критерии Рейнольдса, учитывающие режим истечения потоков из
соответственно внутреннего и внешнего завихрителей.
А так же выявлена зависимость KLθx от отношения скоростных напоров
(импульсов) q = ρ1 W12/ρ2 W22 (ρ1 и ρ2 – соответственно плотности сред во внутреннем и
внешнем каналах) и еѐ максимум при q 1 . Этот результат (если ρ1 ρ2) согласуется с
данными, полученными Л. Альпинери (L. Alpineri) (1964), когда при распространении
осесимметричной газовой струи в спутном потоке воздуха при W1/W2=1 наблюдался
максимум интенсивности перемешивания сред.
На рис.2. приведена зависимость линейного коэффициента теплового
взаимодействия KLθx от отношения плотностей потока импульса q. Установлено, что
линейный коэффициент теплового взаимодействия KLθx имеет большее значение при
закрутке в разные стороны лишь при q > 0.8 для завихрителя I и при q > 0.6 для
завихрителя III, конструктивный параметр крутки, у которого меньше. Это, повидимому, объясняется тем, что массовый расход через внешний завихритель (при
данных условиях) в несколько раз выше внутреннего, и поток, выходящий из него,
подавляет центральное течение.
На графике показаны экспериментальные зависимости KLθx для всех
вышеперечисленных комбинаций завихрителей, а также, для сравнения, приведены
расчетные по (3) зависимости II, IV, VI комбинаций.
Klθx
q
Рис. 2. Зависимость линейного коэффициента теплового взаимодействия Kθx от
отношения скоростных напоров q: θx=0,82; I – VI – комбинации завихрителей; 1 –
расчет по (2) для II, IV, VI.
Полученные данные по тепловому взаимодействию были обобщены в виде
уравнения подобия:
NIlθ d = 4q0,8 n3CRd,
(3)
в котором:
NIlθ d = Klθ x/λθ,
(4)
где Klθ x – линейный коэффициент теплового взаимодействия, Вт/(м·К),
рассчитанный по (1), λθ – коэффициент теплопроводности смеси, образовавшейся на
стадии смешения, когда температура равна θx, Вт/(м·К).
Это уравнение, прежде всего, предназначено для оценочного сопоставления
интенсивности теплообмена в струях, сформированных разными завихрителями на
различных режимах работы, и рекомендуется для диапазона 0,1 <|nCRd|< 0,9, q =
0,1...3,9.
Для управления теплообменом в закрученных струях эффективно
воздействовать на крутку потока. Параметр крутки потока зависит от угла выхода
потока из межлопаточного канала. Его можно менять посредством вдува газовой среды
через отверстия в полых лопатках завихрителя [2].
Выводы
Установлены зависимости линейного коэффициента внутреннего теплового
взаимодействия коаксиальных закрученных струй от конструктивно-режимного
параметра крутки и отношение скоростных напоров (импульсов).
Получено уравнение подобия, предназначенное для оценочного сопоставления
интенсивности теплообмена в струях, сформированных разными завихрителями на
различных режимах работы.
Список используемой литературы
1. Жилкин Б.П., Берг Б.В., Лаптева Л.В., Шуба А.Н. О коэффициенте теплового
взаимодействия факела со средой топочных газов // Тепломассообмен ММФ-2000.
Тепломассообмен в энергетических устройствах. Минск: АНК “ИТМО им.
А.В.Лыкова” АНБ, 2000. Т.10. С.345-348.
2. Шуба А.Н., Жилкин Б.П., Ларионов И.Д., Берг Б.В. Об аэродинамическом
управлении круткой потока в горелках ГТУ с аксиальным завихрителем //
Совершенствование турбин и турбинного оборудования: Регион. сб. науч. ст.
Екатеринбург: УГТУ, 2000. С. 371-374.