Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Передача тепла от пульсирующего потока имеет место во многих областях жизнедеятельности: двигатели Стирлинга; тепловые трубы, а также во многих системах с биологическими жидкостями. Согласно современным исследованиям, при переходе к пульсирующему режиму течения теплоносителя в части теплооотдачи возможно получение трех типов эффектов:

1) усиление теплоотдачи;

2) отсутствие заметного влияния на теплоотдачу;

3) снижение теплоотдачи.

Цель исследования: определение влияния пульсаций потока теплоносителя на теплопередачу в теплообменном оборудовании.

Материалы и методы исследования

Интенсификация теплопередачи при переходе к пульсирующему режиму наблюдается в условиях ламинарного или переходного режима течения жидкости. При этом некоторые авторы не наблюдали увеличения мощности теплообменника в случае пульсаций расхода [1] и в расчетах используют формулы для расчета коэффициента теплоотдачи при стационарном режиме [2], а в некоторых публикациях указывается, наоборот, снижение теплообмена в процессе проведения экспериментов.

Факторами, влияющими на теплоотдачу от пульсирующей жидкости, являются число Рейнольдса, частота пульсации, амплитуда пульсации, скорость пульсации, геометрия канала, место расположения генератора пульсаций, форма волны пульсации, текучая среда, собственные физические параметры системы и т.д. Методы исследования теплоотдачи от пульсирующих сред в основном включают экспериментальные методы и методы численного моделирования. Для исследования влияния числа Рейнольдса на теплоотдачу от пульсирующей жидкости [3] использовал метод решеточных уравнений Больцмана. Исследования проводились при числах Рейнольдса 50, 100, 150 и числе Прандтля 3,103. Основным фактором, влияющим на теплообмен в пульсирующем потоке, является скорость пульсации. При этом в полученных исследованиях установлено, что имеется оптимальная частота пульсаций, где теплопередача является наибольшей. Установлено также, что снижение скорости течения и увеличение частоты пульсаций снижают теплоотдачу. Низкая частота, низкая амплитуда, большое число Рейнольдса применяются для усиления теплообмена, а пульсации потока используются в качестве технологии активного усиления теплообмена. Усиление теплоотдачи зависит главным образом от числа Рейнольдса, при этом скорость пульсации также играет очень важную роль в усилении теплоотдачи [4]. Так как многие исследования в данной области практические, то зачастую об изменении теплоотдачи судят по величине теплового потока через теплообменную поверхность (или по изменению коэффициента теплопередачи).

В различных формах каналов теплоносителя: в ребристом канале [5, 6], цилиндрическом канале [7], в волнообразном канале пульсации потока теплоносителя оказывают различную степень интенсификации теплопередачи. Пульсации теплоносителя в волнообразном канале вызывают значительное усиление теплоотдачи по сравнению с другими формами каналов. Это связано со многими эффектами образования и рассеивания вихрей в условиях пульсации. Также установлено, что расположение генератора пульсаций оказывает влияние на теплоотдачу. В [5] генератор пульсаций установлен до теплообменника во время экспериментов с числом Рейнольдса от 150 до 1000, частотой от 0 до 2 Гц и амплитудой пульсаций в диапазоне от 155 до 400 мм. В результате экспериментов установили, что в теплообменнике типа «труба в трубе» при вышесказанных параметрах пульсации потока увеличивают теплоотдачу на 300 %.

В [6] экспериментально исследовали влияние пульсации на коэффициент теплоотдачи от воды в длинной горизонтальной трубе пароводяного теплообменника. Пульсации воды создавались с помощью поршневого насоса, расположенного перед теплообменником, число Рейнольдса варьировалось от 30000 до 85000, а частота пульсаций была установлена на уровне 1,6 Гц. Отношение амплитуд варьировалось от 1 до 1,56. Они зафиксировали увеличение коэффициента теплопередачи от 60 % до 70 % при амплитуде 1,42.

В работе [7] также установлено, что место расположения генератора пульсаций имеет значение. В данной статье сообщается об увеличении коэффициента теплопередачи на 90 % при числе Рейнольдса 6000 и частоте пульсаций 160 циклов/мин, когда импульсы были введены перед нагревателями. Никакого улучшения коэффициента теплопередачи не наблюдалось в случае установки генератора импульсов после нагревателя.

А.Е. Зохир [8] провел экспериментальное исследование на концентрических двухтрубных теплообменниках, горячая вода (40–70 °C) пропускалась через внутреннюю трубу с фиксированным массовым расходом (число Рейнольдса ≈ 10 200), а холодная вода проходила через кольцевое пространство с числом Рейнольдса от 2000 до 10200 в пульсирующем режиме. Частота пульсаций изменялась в диапазоне от 0 до 40 Гц, в то время как амплитуда поддерживалась постоянной. Генератор пульсаций установлен был после теплообменника. Максимальное увеличение числа Нуссельта для прямотока составило 20 %, в то время как для противотока было около 90 %.

В [9] авторы проводили исследования по влиянию пульсаций расхода теплоносителя на теплопередачу при различных формах волн пульсаций: прямоугольные, синусоидальные и полусинусоидальные. Три различные формы волнового воздействия использовались в качестве граничные условий. Результат моделирования теплопередачи при пульсирующей подаче жидкости, при одном и том же среднем массовом расходе показал значительное улучшение общих тепловых характеристик. Кроме того, пульсирующее входное воздействие с синусоидальной формой волн привело к наивысшему коэффициенту теплопередачи среди трех рассматриваемых условий. Следовательно, при практическом применении синусоидальное входное воздействие более выгодно для усиления теплообмена.

В [10] представлены результаты исследования теплообмена в круглом изотермическом канале с наложенной пульсацией потока на входе. Число Рейнольдса фиксировано и равно 200, диапазон частот составляет 1–20 Гц. Обнаружен интересный факт, что, начиная с условий, когда длина впускного отверстия в два раза больше диаметра трубы, входная пульсация не оказывает положительного влияния на теплопередачу. В [11] представлены результаты влияния среднего числа Рейнольдса, амплитуды пульсации и безразмерной частоты на коэффициент трения и на увеличение коэффициента теплоотдачи. Делается вывод, что чем больше амплитуда пульсации и безразмерная частота пульсации, тем больше коэффициент трения в переходном диапазоне. Пульсации будут существенно влиять на критическое число Рейнольдса, поэтому в работе отмечается, что в области малых значений критического числа Рейнольдса и в области ламинарно-турбулентного переходного режима пульсации способствуют увеличению коэффициента трения. При этом не дается соотношение между величиной затрат энергии на перекачивание теплоносителя и увеличения тепловой мощности.

Исследования передачи тепла в случае пульсирующей подачи теплоносителя представлено во многих работах. При этом некоторые исследователи указывают отсутствие влияния пульсаций на теплопередачу а некоторые утверждают о негативном влиянии пульсаций на данный процесс. В частности, в работе [12] в результате численного моделирования установлено незначительное увеличение числа Нуссельта. Представлены результаты численного моделирования влияния пульсаций на теплообмен при различных пульсирующих параметрах (амплитуде, числах Струхаля и Рейнольдса). Графическое отображение результатов моделирования показывает увеличение частоты и амплитуды пульсаций, что приводит к незначительному увеличению числа Нуссельта. При этом в данной статье указано, что усиление теплопередачи из-за периодического пульсирующего потока сомнительно и в лучшем случае довольно ограничено.

Использование импульсного режима в системах теплоснабжения дает некоторые преимущества. Пульсации потока не только влияют на теплопередачу, но также данный режим позволяет полезно использовать энергию избыточного располагаемого напора. Если последнее утверждение неопровержимо, то, согласно проведенному анализу литературных источников, влияние пульсаций теплоносителя на теплообмен довольно противоречиво. Данный факт связан со множеством факторов: физических свойств теплоносителя, конфигурации каналов теплоносителя теплопередающей поверхности, параметров, характеризующих пульсирующий поток, места расположения источника пульсаций и способа их создания. Особый интерес представляет влияние пульсаций теплоносителя на теплопередачу в пластинчатых теплообменниках, из-за распространения их в системах теплоснабжения. И для исследования влияния импульсного режима течения теплоносителя на теплопередачу в водо-водяном пластинчатом теплообменнике была разработана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1.

Схема экспериментальной установки состоит из трех независимых контуров: котлового контура, контура пластинчатых теплообменников, контура охлаждения. Данное разделение выполнено с целью предотвращения резких скачков температуры в контуре нагрева, так как котлы имеют ступенчатое регулирование, а также чтобы иметь возможность точного регулирования расхода без резких колебаний температуры. Основными элементами схемы являются два пластинчатых теплообменника, электрический котел, циркуляционные насосы и генератор импульсов. Нагрев воды осуществляется при помощи электрического котла, а циркуляция нагретого теплоносителя осуществляется котловым циркуляционным насосом. Второй контур (закрытый) предназначен для подключения экспериментальных установок различной мощности. Поэтому в данном контуре установлен циркуляционный насос, подключенный через частотный преобразователь, что позволяет изменять расход теплоносителя в зависимости от подключенной установки. Третий контур – это открытый экспериментальный контур, в котором, изменяя режим течения, проводились исследования.

Эксперимент проводился следующим образом. Циркуляционным насосом 4 нагреваемая вода подавалась из емкости 3 в теплообменник 2 и через генератор импульсов сливалась в дренаж. Для предотвращения колебаний расхода в данном контуре в емкости 3 поддерживался постоянный уровень холодной воды путем долива воды из системы холодоснабжения. Изменение расхода воды в данном контуре выполнялось при помощи регулировочного вентиля, установленного на напоре циркуляционного насоса 4. В контуре с насосом 6 частотным преобразователем устанавливался постоянный расход нагреваемой жидкости (0,7 кг/с). Данная величина выбрана специально больше расхода нагреваемой жидкости для обеспечения большего коэффициента теплоотдачи со стороны греющей среды. Максимальный расход нагреваемой среды составлял 1 м3/ч. Непосредственно измерялись температуры греющего и нагреваемого теплоносителя на входе и на выходе из теплообменника, давление нагреваемого теплоносителя на входе и на выходе из теплообменника, а также расходы греющего и нагреваемого теплоносителей. Показания расходомера при импульсном режиме не учитывались, и расход нагреваемого теплоносителя рассчитывался, исходя из уравнения теплового баланса.

Генератор импульсов представляет собой клапан запатентованной конструкции [13]. Конструктивной особенностью его является способность резко перекрывать поток, создавая колебания расхода и давления. Эксперименты проводились на разных частотах генерации импульсов и на разных расходах нагреваемого теплоносителя. В качестве экспериментального использовался пластинчатый теплообменник фирмы Ридан, типоразмер HH№ 04, состоящий из 13 пластин, т.е. данный теплообменник имеет по 6 каналов для прохода теплоносителя с каждой стороны. Более подробные технические характеристики пластин представлены в таблице [14].

Характеристика теплопередающей пластины

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – пластинчатый теплообменник A, 2 – пластинчатый теплообменник B, 3 – емкость для воды, 4 – насос холодной воды, 5 – генератор пульсаций, 6 – насос циркуляции горячей воды, 7 – электрический водонагреватель (котел), 8 – котловой насос

Число Рейнольдса определялось для выяснения режима течения теплоносителя в каналах теплообменника. Необходимый характерный размер (гидравлический диаметр) канала определяется следующим образом [14]:

(1)

где φ – коэффициент, показывающий соотношение между длиной металлического листа, гнутого волнами к ширине волнообразной части пластины;

b – амплитуда гофр, м;

L_w – расстояние между портами пластины по ширине, м;

Скорость в каналах теплообменника оценивалась, исходя из толщины пластин, ширины пакета и количества каналов для каждого теплоносителя. Эксперименты проводились в стационарном и импульсном режимах течения теплоносителя. На основании полученных экспериментальных данных, согласно закону сохранения тепла, коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника рассчитывается как

(2)

где A – площадь теплопередающей поверхности, м2.

Δt_m – средняя логарифмическая разность температур, °С.

Изменение коэффициента теплопередачи в пластинчатом теплообменнике может происходить только за счет изменения теплоотдачи (теплового потока) со стороны одного из теплоносителей. В результате, сравнивая коэффициенты теплопередачи в стационарном и импульсном режимах при различных частотах, определяли величину изменения коэффициента теплоотдачи.

Результаты исследования и их обсуждение

Изменение коэффициента теплопередачи трех разных массовых потоков на разных частотах пульсации показано на рис. 3.

Рис. 2. Зависимости коэффициента теплопередачи от расхода

а) б)

Рис. 3. Зависимости коэффициента теплопередачи: а) от массового расхода; б) от числа Рейнольдса

Рис. 4. Изменение давления при импульсном режиме, задаваемая частота 0,45 Гц

Замеры производились на пяти разных частотах и трех значениях расходов холодной воды. Как и следовало ожидать, из графиков видно, что на всех частотах с увеличением расхода теплоносителя коэффициент теплопередачи растет. При этом на всех расходах наблюдаются максимумы экспериментальных графиков в области частоты 1,78 Гц. На рис. 3 представлена зависимость коэффициента теплопередачи в пластинчатом теплообменнике от массового расхода теплоносителя при двух частотах 1,78 Гц и 2,23 Гц.

Из данного рисунка видно, что при частоте пульсации 1,78 Гц коэффициент теплопередачи монотонно возрастает с увеличением массового расхода. Для частоты 2,23 Гц график имеет изгиб при расходе 0,155 кг/с.

Наложение искусственных колебаний, создаваемых генератором пульсаций, и собственных колебаний гидравлической системы по-разному влияет на изменение расхода теплоносителя внутри теплообменника. На графике колебаний давления при частоте генератора пульсаций 0,45 Гц можно легко выделить свободные колебания системы, которые составили 5,2 Гц (рис. 4).

Вероятно, одним из факторов, влияющих на теплоотдачу, является величина фактической скорости теплоносителя, которая при импульсном режиме тем больше, чем меньше длительность открытого положения клапана генератора импульсов. График колебания давления в каналах теплообменника показывает, что в случае частоты 0,89 Гц скорость нарастания давления идет постепенно, занимает более длительный интервал времени по сравнению с частотой в 1,78 Гц. То есть сложение собственных колебаний системы и вынужденных, создаваемых генератором пульсаций, могут по-разному влиять на разность давлений до теплообменника и после на момент открытия ударного клапана. Так как собственная частота системы малоизменна, то в зависимости от частоты генератора пульсаций разность давлений на теплообменнике на момент открытия ударного клапана может как усиливаться, так и ослабляться. За счет чего сокращается либо увеличивается продолжительность времени, за которое достигается максимальный расход в период открытия клапана.

Заключение

Сравнивая две модели потока, стационарную и пульсирующую, установлено, что пульсации потока теплоносителя усиливают теплоотдачу в пластинчатом теплообменнике. То есть итоговое влияние на теплопередачу в импульсном режиме оказывают несколько факторов, не только параметры колебаний, задаваемые генератором пульсаций, но также и место его расположения, свойства теплоносителя, режим течения. Важным фактором также является итоговая частота системы, которая может по-разному влиять на пропускную способность системы. Установлено, что имеется некоторая оптимальная частота пульсаций для данной системы (критерий оптимизации – теплоотдача), она равна 1,78 Гц. Начиная с данной частоты, коэффициент теплопередачи снижается при постоянном расходе нагреваемой и греющей сред. Число Рейнольдса в экспериментах изменялось от 1800 до 9000, число Прандтля – от 5,2 до 5,6.