Межканального перемешивания

Правда, многие найдут этот вопрос чрезвычайно легким: надо подсчитать по известной из школьного курса формуле Q = Ctnht количество теплоты, идущей на нагрев воздуха до нужной температуры; приняв, что из-за огромной разницы в объемных теплоемкостях (выше доказано) частицы даже «не прореагируют» на появление «холодного» газа, т. е. что температура их останется постоянной, определить из уравнения Q = aSkt площадь поверхности частиц, привлекаемых для «товарищеской помощи» газу, а затем решить чисто геометрически простую задачу о нахождении высоты емкости, зная ее объем У=5/5уД = 5й?/(6(1 —е)). Все это, таким образом, сводится к определению коэффициента теплообмена между частицами и газом а, или коэффициента межфазового теплообмена.

На вопросах межфазового обмена в псевдоожижен-ном слое приходится довольно подробно остановиться не только ради лучшего понимания его особенностей в высокотемпературных условиях, но и по причине различия существующих мнений. Это связано, видимо, с недостатком внимания к исследованиям межфазового обмена в надежде, что он протекает всегда настолько хорошо, что завершается на небольшом расстоянии от решетки. В действительности дело обстоит ие так просто и удовлетворительно, хотя, как детально разобрано в [Л. 141], истинный коэффициент межфазового теплообмена в псевдоожиженном слое намного выше, 4* 51

В общем случае физически не оправдано представление о зоне отсутствия межфазового теплообмена непосредственно над «плохой» решеткой. Это может быть близко к действительности только при малых числах псевдоожижения и неподвижном залегании материала между отверстиями решетки, когда он прогревается от решетки до температуры, близкой к температуре входящего газа.

Опыты показывают, что основное изменение средней по сечению температуры газа в псевдоожиженном слое происходит на весьма малом расстоянии от газораспределительной решетки, или, как говорят, высота активной зоны межфазового теплообмена невелика. Далее же средняя температура газа изменяется очень слабо и нет возможности сколько-нибудь достоверно определять разность температур газа и частиц. Это, как известно, дает основание считать экспериментальные а, полученные при измерениях за пределами активной зоны, неверными, кажущимися величинами. В опытах отдельных авторов были найдены и другие источники погрешностей. Однако при всех предлагавшихся поправках подсчитываемые значения а частиц оставались непонятно низкими.

вторая — со стороны газовой фазы. Разность температур затем выравнивается благодаря межфазовому теплообмену. Но время релаксации температур между газовой и твердой фазами, особенно для дисперсных систем, состоящих из крупных частиц, будет на много порядшж больше, чем время релаксации тг в «чистом» газе (где тт~10-9 сек) или твердом теле (например, в алюминии гг~Ю~п сек) [Л. 196]. Поэтому во многих случаях оправдано, как это сделали авторы [Л. 22 — 24], из трех перечисленных времен релаксации температур учитывать лишь время релаксации температур на поверхностях раздела фаз, применяя для упрощения математического аппарата не модифицированную для учета влияния межфазового теплообмена систему гиперболических уравнений теплопроводности твердой и газовой фаз, а систему из двух модифицированных уравнений Фурье. Для одномерной плоской задачи, пренебрегая количеством тепла, передаваемым через пятна контактов твердых частиц, имеем [Л. 24, 317]:

Вопросы межфазового обмена в плотном слое освещены в [Л. 27]. Роль неравномерности газораспределения по слою, резко снижающей эффективность теплообмена, подчеркнута в {Л. 14]. Отрицательное влияние продольной теплопроводности слоя и некоторые другие общие вопросы межфазового теплообмена рассмотрены выше.

Своеобразный случай межфазового теплообмена в фонтанирующем слое предусмотрен в }Л. 513]. Здесь фонтанирующий слой электропроводящих

Опытные данные и сведения по расчету межфазового теплообмена при падении слоев частиц в восходящем потоке газа имеются в (Л. 109, 217, 362]. Подтверждена высокая эффективность дополнительного механического торможения падающих частиц сетками и иными вставками внутри канала.

136. Забродский С. С., Вопросы межфазового теплообмена в псевдоожиженных системах, сб. «Тепло- и массоперепос», т. 5, изд-во «Наука и техника», Минск, 1968.

341. Цубанов А. Г., Исследование гидродинамики циркулирующего теплоносителя и межфазового теплообмена в регенеративном теплообменнике, Канд. дисс., ИТМО, АН БССР, Минск, 1968.

365. Э л ь п е р и н И. Т., Е ф р е м ц е в В. С., Исследование межфазового теплообмена в конических аппаратах с фонтанирующим

Активная зона межфазового теплообмена 52, 53 Арочные решетки 234, 235

43. Метод расчета влияния межканального перемешивания на температурное поле теплоносителя в кассетах твэлов с дистанционирующей проволочной навивкой / А. В. Жуков, А. П. Сорокин, П. А. Титов, П. А. Ушаков. Препринт ФЭИ—512. Обнинск, 1974.

В книге предложены способы обобщения опытных данных по нестационарному тепломассообмену в пучках витых труб при различных типах нестационарности: резком и плавном изменении тепловой нагрузки при запуске и остановке аппарата и переходе с одного режима работы на другой режим, а также при изменении расхода теплоносителя. При этом использовались теории подобия и размерностей, на основании которых предложены критерии подобия и способы учета особенностей нестационарного процесса тепломассообмена в пучках витых труо. Определены критериальные зависимости для расчета эффективных коэффициентов диффузии и коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления для стационарных и нестационарных условий работы, которые рекомендуется использовать при теплогидравлических расчетах теплооб-менных аппаратов. Рассмотрены методы расчета теплообмен-ных аппаратов с витыми трубами с учетом межканального перемешивания, что позволяет наряду с усредненными определять и локальные параметры в рамках гомогенизированной постановки задачи. В книге анализируются и обобщаются теоретические и экспериментальные работы, выполненные как авторами, так и другими исследователями.

ц — коэффициент межканального перемешивания;

Критерий FrM (1.113) был получен в предположении, что в винтовых каналах пучка поток теплоносителя закручивается по закону квазитвердого вращения vrr~* = const и что поле центробежных сил оценивается ускорением, определенным по максимальной тангенциальной скорости закрутки потока. При этом критерий FrM может быть связан с критерием, по форме напоминающим критерий Фруда, где ускорение свободного падения заменено на ускорение центробежных сил [ 39]. Кри-теий FrM учитывает особенности течения и тепломассопереноса в пучках витых труб. Пористость т влияет в основном только на процесс межканального перемешивания. Чем меньше т, тем меньше интенсивность поперечного тепломассопереноса.

ниям V и>3 Iй ы, ^ср/^э в межканальное перемешивание позволяет сделать вывод, что основной вклад в этот процесс вносит организованный конвективный перенос теплоносителя из одной ячейки пучка в другую по винтовым каналам труб. В качестве масштаба процесса межканального перемешивания поэтому можно рассматривать диаметр пучка витых труб. Определенный вклад в процесс тепломассопереноса вносит конвективное движение в поперечном сечении ячеек пучка, приводящее к интенсивному обмену порциями жидкости между пристенным слоем труб и ядром потока [3] .

При продольном обтекании пучков сребренных стержней и витых труб овального профиля наблюдается значительная интенсификация процесса межканального перемешивания теплоносителя по сравнению с течением в круглой трубе [9, 39-, 48]. Это очень важно для теплообменных аппаратов с заметной неравномерностью поля энерговыделения (теплоподвода) в поперечном сечении пучка. Обычно для определения распределений температуры в пучках сребренных стержней применяется метод расчета элементарных ячеек с учетом эффектов обмена массой, импульсом и энергией между ними, используя для замыкания системы уравнений экспериментально определяемый коэффициент перемешивания Ц = Су/С/ [48]. Однако в этом случае при большом числе стержней (труб) в пучке требуются значительные затраты счетного времени на реализацию программы расчета. Поэтому в пучках витых труб для определения полей температур теплоносителя применяется метод гомогенизации реального пучка [9, 39], который рекомендуется и для расчета температурных полей в пучках сребренных стержней.

С зависимостью (4.15) хорошо также согласуются опытные данные по коэффициентам К для пучков витых труб овального профиля, экспериментально определенным при Re > 104 [39, 9, 16] (см. рис. 4.1, 4.2). Определяющие критерии подобия и значения коэффициента К работ [39, 9, 16] представлены в табл. 4.2. Следовательно, на участке автомо-дельности коэффициента/: по числу Рейнольдса (Re> 104) единой критериальной зависимостью (4.15) удалось описать процесс межканального перемешивания и в пучках оребренных стрежней, и в пучках витых труб овального профиля. Это свидетельствует об одинаковом механизме процессов тепломассообмена в таких пучках.

Результаты исследования коэффициента Кн для режимов резкого уменьшения мощности тепловыделения представлены на рис. 5.5 (о, б). Как видно из рис. 5.5, для этого типа нестационарности наблюдается снижение интенсивности процесса межканального перемешивания в первые моменты времени по сравнению с квазистационарными условиями работы, что также свидетельствует о влиянии нестационарных граничных условий на структуру потока, приводящем к перестройке полей температуры теплоносителя во времени, и подтверждает

В ПУЧ КАХ ВИТЫХ ТРУБ С УЧЕТОМ МЕЖКАНАЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

Подход к расчету теплообменных аппаратов при продольном обтекании пучков витых труб с учетом межканального перемешивания аналогичен подходу, описанному в разд. 8.1. Отличие заключается в основном в учете межканального перемешивания теплоносителя, обусловленного неравномерным теплоподводом в поперечном сечении пучка. Рассмотрим влияние этого фактора сначала для случая стационарного протекания процесса. Поскольку наибольший эффект от интенсификации теплообмена при применении витых труб получается в том случае, когда лимитирующим является термическое сопротивление в межтрубном пространстве, будем рассматривать в качестве теплоносителя, обтекающего пучок

При расчете нестационарного теплообмена в теплообмен-ном аппарате с пучком витых труб с учетом межканального перемешивания теплоносителя необходимо решая систему уравнений (5.17) ... (5.21) с граничными условиями (5.22) ... ... (5.24) , описывающих течение гомогенизированной среды, рассматривать свойства жидкости, текущей внутри витых труб.