Обшивочные теплообменные аппараты струйного типа

ОТОА струйного типа обеспечивают подвод охлаждаемой воды к внутренней поверхности судовой обшивки посредством сопел. Схема такого аппарата показана на рис. 1.25. Для определения зависимостей, описывающих теплоотдачу, были проведены соотвествтующие экспериментальные исследования.

Визуальные исследования. Экспериментальная модель, представляла собой прямоугольную емкость с прозрачной стенкой размером 0,25x0,25 м. Эта стенка имитировала обшивку корпуса судна. С внутренней стороны перпендикулярно к стенке в центре было установлено подводящее сопло. Имелась возможность изменять расстояние от сопла до стенки. Емкость была полностью заполнена водой, что создавало условия формирование затопленной струи. Установка обеспечивала регулирование расхода воды через сопло. При этом достигалось максимальное значение скорости воды в сопле 1,8 м/с, что соответствовало значению числа Рейнольдса 2,4-10⁵. Для визуализации течения в воду добавлялись тушь, серебрин и детергент. Наблюдения осуществлялись с наружной стороны прозрачной стенки, которая дополнительно подсвечивалась направленным источником света.

Результаты выполненных визуальных исследований при различных числах Рейнольдса показаны на рис. 2.51. Выходящая из сопла жидкость ударяется о поверхность и далее растекается в радиальных направлениях, образуя пристенную радиальную струю.

Наглядно видно, что по мере изменения числа Яе соответствующим образом изменялся и характер течения жидкости вдоль поверхности. Так,

при 1,65-10³ наблюдается практически ламинарное течение жидко

сти. При этом четко видны малоподвижные кольцевые структуры, являющиеся следствием ударного взаимодействия импактной струи с поверхностью. По мере увеличения числа Рейнольдса размер кольцевых структур уменьшается и наблюдается более интенсивное их движение наружу. На наружной части колец возникают турбулентные пульсации, которые далее имеют тенденцию к затуханию. При Яе^, равном 2,4-10⁵, по всей площади имеют место развитые турбулентные вихри. Их интенсивность максимальна в центральной части и снижается по мере удаления от центра.

Проведенные визуальные исследования позволили определить, что нижнее критическое число Рейнольдса лежит приблизительно в области значений (1... 2) • 10⁴, а верхнее — в области значений около 1 • 10⁵.

В ходе непосредственного наблюдения за происходящими процессами в глубине, на удалении от стенки, были выявлены вторичные течения, направленные к соплу. Это объяснялось подсосом жидкости из окружающего пространства, что подтверждает существующие представления о движении жидкости в области выходной кромки сопла [191, 192].

Теплотехнические исследования. Теплотехнические исследования проводились на специально созданной экспериментальной модели (рис. 2.51). Она состояла из двух частей: полости 1 — горячей охлаждаемой воды и полости 2 — холодной охлаждающей воды. Размеры первой составляли 0,5x0,5x0,5 м, а второй— 0,5x0,5x0,2 м. Полости имели одну общую стенку 3 размером 0,5x0,5 м толщиной 5 мм, через которую осуществлялась передача теплоты. Подвод горячей воды в центр стенки 3 выполнялся через теплоизолированный патрубок 4 с резьбовым окончанием, куда могли присоединяться различные насадки, в частности сопло. Была предусмотрена возможность изменения расстояния И от торца сопла до стенки 3. Полость 1 была полностью заполнена водой. Все боковые поверхности экспериментальной модели были тщательно теплоизолированы.

Температура стенки 3 со стороны сопла измерялась семью хромел ь-копелевыми термопарами с диаметром термоэлектородов 0,15 мм. Измерение термо-ЭДС осуществлялось с помощью потенциометра. На модели измерялись температуры входа и выхода горячей и холодной воды.

Яе_л= 9,5 10⁴ Яе_д = 2,35 -10⁵

Рис. 2.51. Течение пристенной струи при сопловом подводе жидкости

Рис.2.52. Схема экспериментальной модели теплотехнических исследований: 1 — полость горячей (охлаждаемой) воды; 2 — полость охлаждающей воды; 3 — теплопередающая стенка; 4 и 5 — соответственно патрубки подвода и отвода горячей воды; 6 и 7 — соответственно патрубки подвода

и отвода охлаждающей воды

Экспериментальная модель подключалась к теплогидравлическому стенду. Была предусмотрена возможность изменения расхода горячей воды. Максимальное значение этого расхода достигало 11 м³/ч. Имелась система замера расхода теплоносителя. Электрический нагреватель системы позволял задавать различные мощности. В ходе экспериментов нагрев воды достигал 80...85 °С, что практически соответствует максимально возможному температурному уровню в реальных условиях.

Перепад давления на исследуемом устройстве определялся с использованием образцовых манометров. При малых расходах жидкости (малых перепадах давления) измерения осуществлялись жидкостным дифференциальным манометром.

Теплотехнические исследования проводились на соплах с внутренним диаметром 18 и 38 мм. Расстояние к от сопла до поверхности задавалось равным 5 мм, 12 мм и 20 мм. Зависимость среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи а от расхода IV жидкости через сопло при различных диаметрах показана на рис. 2.53.

Увеличение IV приводит к росту значений а. Однако, не выявлена связь коэффициента теплоотдачи и диаметра сопла б/. На рис. 2.53 показана зависимость теплоотдачи при различных расходах IV и расстояниях И. В диапазоне к/с1 - 0,13...0,53 значения а не зависят от /г.

Результаты обобщающей обработки экспериментальных данных показаны на рис. 2.55.

Рис. 2.53. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от расхода жидкости И/, подаваемого через сопло при различных его диаметрах (Я = 0,25 м; /? = 0,012 м)

Вт

Рис. 2.54. Зависимость коэффициента теплоотдачи а при сопловом подводе

от расхода жидкости I/К (с/ = 0,038 м; Я = 0,25 м)

М/

Рг⁰³³(Рг Рг,)Р

• 4.0
• 3.5
• 3.0
• 2.5
• 2.0

А - Ь=0,005 м; <1=0,038 м О -11=0,012 м; (1=0,038 м

• • -11=0,012 м; (1=0,018 м ? -11=0,020 м; (1=0,038 м
• 3,5
• 4,0

Рис. 2.55. Зависимость 1§

4,5

N14

• 5,0
• 5,5

,0.25

от ^Яе. при Р = 0,25 м;

Рг^огз (Лг/Л;)

Яе* = 5-10³...4-10⁵; Рг = 2,54...4,87; Рг1 Рр = 0,66...0,96;

/7 / с/ = 0,13...0,67; /?/<*= 6,6...13,9; а — Ре, = 5-10³...2-10⁴; Ь — Ре, = 2Ю⁴...Ю⁵; с — Яе„ = Ю⁵...4-10⁵

С учетом результатов визуальных исследований экспериментальные точки аппроксимируются линией с двумя изломами. Каждый участок этой линии соответствует различным режимам течения. Причем, по данным обобщающей обработки нижним критическим числом Рейнольдса следует считать значение 210⁴, а верхним— значение 1 • 10⁵. Для выделенных участков аппроксимирующей линии определены следующие уравнения подобия:

при Д^=510³...210⁴

№/ = 5,7 ? Яе]^м Рг^огг

при Яе_а = 2-10⁴... 10⁵

0.83 г>..0,33

М/ = 0,15 ЯеГ 'Рг

Г 0,25

Рг

Рг

У

при Яе. = 10..4 -10

№ = 26 Яе^Рг⁰'³³

/ _р л⁰-²⁵

Рг

Рг

к¹ з;

Зависимости справедливы при: Рг - 2,54...4,87, Рг/Рг_% = 0,66...0,96, АД/ = 0,13...0,67; Я/ё = 6,6...13,9.

Результаты исследований гидравлического сопротивления. Исследование гидравлического сопротивления при данном способе подвода жидкости показали, что значение коэффициента местного сопротивления ? определяется значением Н/с1 (рис. 2.56). Влияние других факторов незначительно.

Обобщающая зависимость имеет вид:

^ = 0,83

у ь л⁰-⁸³

(2.25)

^а у

Зависимость справедлива для значений И/с1 - 0,13...0,53.

Анализ результатов. Проведенные визуальные исследования позволили выявить различные режимы течения жидкости вдоль поверхности теплообмена в случаях использования соплового подвода жидкости.

Совместный анализ результатов визуальных и теплотехнических исследований при сопловом подводе позволил определить границы различных режимов течения жидкости. При этом нижнее критическое число Яе_а = 2 • 10³, а верхнее— 10⁵. Для каждого из режимов течения получены описывающие теплоотдачу зависимости. На рис. 2.57 дано сопоставление этих зависимостей с известными.

Рг

0.33

3,0 4,0 5,0

Рис 2.57. Сопоставление результатов исследования теплоотдачи струйного подвода при /? = 0,020 м ?? = 0,25 м; Р = 0,038 м 1: а — зависимость (2.22); Ь — зависимость (2.23); с — зависимость (2.24); 2 — [194] для Р / с/ = 0,25. ..10; 3 — [195] для Р / Р = 0,5. ..6,2; 4 — [196, 197]; 5 — [12]; 6 — [199] для /? / Р = 3...9; 7 — [200] для О / сУ = 2...16

Имеется хорошее согласование полученных результатов с работой [194], где средняя теплоотдача определялась для импактной струи в диапазоне И/с1 = 0,25... 1,0. Максимальное отличие результатов в области Яе₍₁ =510³...4 10^э не превышает 30...35%. Линия 2 является как бы

осредняющей ломаной линии 1, описывающей результаты настоящего исследования. Это объясняется тем, что в работе [194] не был, по всей видимости, учтен факт смены режимов течения жидкости, вследствие чего экспериментальный материал аппроксимирован в логарифмических координатах прямой линией.

В полученных в данном исследовании зависимостях (2.22)...(2.24) максимальное значение показателя степени при числе Re_Л равное 0,83,

имеет место для переходной области (Re_d = 2 10³...10⁵). При ламинарном и турбулентном течениях эти показатели равны соответственно 0,45 и 0,4. Эти результаты для ламинарного течения следует сопоставить с результатами работ [194, 192, 198]. По мере смещения исследуемой области чисел Рейнольдса в сторону меньших значений угол наклона линии снижается и, в случае работы [195], становится практически равным нашему случаю. Определенное исключение в этом плане составляют результаты работы [199], где угол наклона достаточно велик, но не превышает значения для переходной области. Здесь могли сказаться конструктивное исполнение подводящего патрубка или повышенная турбу-лизация подводимого потока [191].

Гидравлическое сопротивление в случае соплового подвода существенно зависит от h/d. На рис. 2.58 представлено сопоставление полученных результатов с данными работы [193]. Видно, что соответствующие линии хорошо стыкуются. Данные исследования описывают ранее отсутствующие в указанной работе значения ? в области /гД/ = 0,13...0,53.

Рис. 2.58. Сопоставление результатов исследования гидравлического сопротивления с известными данными:

1 — зависимость (2.25); 2 — сопловой подвод [193]; 3 — экранный подвод [170]