ХАРАКТЕР  ИЗМЕНЕНИЯ  ЛУЧИСТОГО  ПОТОКА  НА  СТЕНКУ  ТЕПЛООБМЕННИКА  ВНУТРИ  КОЛЬЦЕВОГО  КАНАЛА  ПРИ  НАЛИЧИИ  В  НЕМ  ПЕРФОРИРОВАННОГО  ЭКРАНА

Шевченко  Сергей  Николаевич

канд.  техн.  наук,  доцент,  Балтийская  государственная  академия

рыбопромыслового  флота,  РФ,  г.  Калининград

E-mail: 

Бабий  Людмила  Викторовна

преподаватель,  Балтийский  военно-морской  институт,  РФ,  г.  Калининград

Хотянович  Ирина  Николаевна

преподаватель,  Балтийский  военно-морской  институт,  РФ,  г.  Калининград

CHARACTER   OF  CHANGES  RADIANT  FLUX  ON  WALL  HEAT  EXCHANGER  INSIDE  THE  ANNULAR  CHANNEL  WITH  THE  PRESENCE  OF  A  PERFORATED  SCREEN

Sergey  Shevchenko

PhD,  Associate  Professor,  Federal  state  budgetary  educational  institution  of  professional  education  «Baltic  state  academy  of  the  fishing  fleet» ,  Russia  Kaliningrad

Ludmila  Babi

assistant  professor,  Baltic  Naval  Institute,  Russia  Kaliningrad

Irina  Khotyanovich

assistant  professor,  Baltic  Naval  Institute,  Russia  Kaliningrad

АННОТАЦИЯ

Проведен  анализ  влияния  степени  перфорированности  и  степени  черноты  экрана  и  стенки  внутреннего  канала  теплообменника  на  поток  излучения  к  наружной  трубе  теплообменника.  Расчеты  производились  резольвентно-зональным  методом  Суринова-Гебхарта.  Получены  формулы,  определяющие  средние  разрешающие  и  средние  угловые  коэффициенты  системы.  Показано,  что  с  увеличением  степени  черноты  и  степени  перфорированности  лучистый  поток  уменьшается.

ABSTRACT

The  influence  of  the  degree  of  perforated  and  emissivity  screen  and  the  wall  of  the  inner  channel  of  the  heat  exchanger  on  the  radiation  flux  to  the  outer  tube  of  the  heat  exchanger.  Calculations  were  made  resolvent  zonal  method  Surinov-Gebhart.  The  formulas  defining  the  medium  resolution  and  medium  angular  coefficients  of  the  system.  It  is  shown  that  with  increasing  degree  of  blackness  and  perforating  radiant  flux  decreases.

Ключевые  слова:  степень  черноты;  разрешающий  угловой  коэффициент  излучения;  плотность  потока  излучения;  результирующее  излучение;  теплообменник.

Keywords:  emissivity;  exchange  factor;  radiation  flux;  heat  radiation;  heat  exchanger.

Интенсификация  передачи  теплоты  в  теплообменниках  и  уменьшение  теплопотерь  является  актуальной  задачей,  так  как  позволяет  не  только  уменьшить  массо-габаритные  характеристики  теплообменников,  но  и  увеличить  их  тепло-энергетическую  эффективность.  В  большинстве  широко  распространенных  теплообменных  аппаратов  типа  «труба  в  трубе»  горячий  теплоноситель  движется  по  центральному  трубопроводу,  а  нагреваемый  —  по  кольцевому  каналу.  Это  объясняется  тем,  что  при  другом  расположении  движущихся  сред  теплопотери  резко  возрастают.  Даже  при  движении  нагреваемого  теплоносителя  в  кольцевом  канале  остается  проблема  уменьшения  теплового  потока  на  внутреннюю  поверхность  наружной  трубы  теплообменника  и  увеличении  интенсивности  теплоотдачи  к  движущемуся  внутри  кольцевого  канала  теплоносителю  [1].  При  наличии  газовой  среды  эту  проблему  можно  решить  путем  установки  перфорированного  (сетчатого)  экрана  внутри  кольцевого  канала.

На  рисунке  1  представлена  схема  кольцевого  канала  теплообменника,  содержащего  перфорированный  экран.  Для  проведения  анализа  по  эффективности  применения  экрана  примем,  что  поверхность  зон  внутри  кольцевого  канала  диффузно  серая,  однородная.  Для  расчета  будем  использовать  зональный  метод  Суринова-Гебхарта  [2]. 

Так  как  сетчатая  поверхность  достаточно  тонкая,  можно  принять,  что  температуры  на  внутренней  и  наружной  поверхности  экрана  равны.  Кроме  того,  можно  принять  ɛ_2,3  =  ɛ₂  =  ɛ₃.

Рисунок  1.Схема  кольцевого  канала  теплообменника

Рассмотрим  случай,  когда  температура  перфорированного  экрана  практически  равна  температуре  внутренней  поверхности  кольцевого  канала.  Тогда  Т_2,3  =  Т₄  =  Т  и  система  уравнений  для  результирующих  потоков  упрощается.  Учитывая,  что  ɛ_2,3  =  ɛ₄  =  ɛ,  получим

;

;

;

.

Для  проведения  анализа  будем  считать  Т₁  =  0  К,  ɛ₁  =  1.0.  Тогда

;

;

;

.

Будем  рассматривать  безразмерную  плотность  теплового  потока

Тогда

где  Φ_ij  —  средние  разрешающие  угловые  коэффициенты,  определяемые  зависимостью  .  Тогда

Из  последних  двух  выражений  находим  Φ₁₃  :

Тогда

Средние  угловые  коэффициенты  излучения  определяем  из  условий  замыкаемости  и  взаимности    и  .  Тогда 

Соответственно  Φ₂₁  =  1.0,  ;  ;  ;  ;  .  Угловой  коэффициент  Φ₃₃  является  независимым  угловым  коэффициентом.  В  [3]  подобный  коэффициент  приближенно  был  вычислен  аналитически,  при  этом  на  внутренней  поверхности  перфорированного  цилиндра  выделяется  перфорированный  элемент  и  с  помощью  алгебраического  метода  и  метода  интегрирования  по  соответствующим  поверхностям  с  последующим  разложением  полученных  выражений  в  ряд  (интегралы  от  локального  углового  коэффициента  излучения  в  элементарных  функциях  не  выражаются)  находится  средний  угловой  коэффициент  между  выделенными  элементами.  Однако,  данный  коэффициент  найден  лишь  приближенно.  Использование  теоремы,  доказанной  в  [4],  решение  задачи  упрощает  и  получается  его  точное  значение.

Рассмотрим  систему  из  двух  осесимметрично  расположенных  сплошных  цилиндров,  имеющих  кольцевой  канал.  Наружной  поверхности  внутреннего  цилиндра  присваиваем  индекс  «1»,  внутренней  поверхности  наружного  цилиндра  присваиваем  индекс  «2».

Тогда  .  Так  как    и  ,  а  ,  то  .  Тогда  .

Учитывая  теорему  для  нашего  случая  .  С  учетом  принятых  обозначений  индексов  в  нашем  случае

Отсюда  находим  выражение  для  Φ₃₁

Последний  угловой  коэффициент  системы  определяется  следующим  образом: 

; 

Тогда 

Расчеты  q_p1  производим  при  заданных  значениях  ξ₄₂,  ξ₄₁,  ξ₂₁.  Выразим  ξ₂₁  через  ξ₄₂  и  ξ₄₁

;  ; 

Легко  видеть,  что

,  т.  е. 

Тогда  достаточно  задать  только  два  параметра  ξ₄₂  и  ξ₄₁,  причем  ξ₄₂  >  ξ₄₁.

На  рисунке  2  представлены  значения  q_p1  при  ξ₄₁  =  0,3;  ξ₄₂  =  0,5

Как  видно  из  рисунка  уменьшение  лучистого  потока  на  стенку  газохода  происходит  как  при  малых,  так  и  при  больших  значениях  β.  При  малых  β 

Рисунок  2.  Зависимость  безразмерной  плотности  теплового  потока  q_{p 1}  от  степени  черноты  поверхности    и  степени  перфорированности  экрана

уменьшение  потока  более  значительно,  что  хорошо  согласуется  с  перфорационным  эффектом  [5].

Результаты  данного  расчета  показывают  области,  в  которых  использование  таких  экранов  наиболее  эффективно.

Список  литературы:

1.Интенсификация  теплообмена.  Успехи  теплопередачи  //  Вильнюс:  Мокслас.  1988  —  188  с.

2.Зигель  Р.,  Хауэлл  Дж.  Теплообмен  излучением.  М:  Изд-во  «Мир».  1975.  —  935  с.

3.Румянцев  А.В.,  Брюханов  О.Н.  Радиационный  теплообмен  в  коаксиальных  цилиндрических  системы  с  перфорированной  поверхностью./  в  сб.:  Теория  и  практика  сжигания  газа  VII.  Л.:  Недра.  1981.  —  с.  157—161.

4.Шевченко  С.Н.,  Дмитриев  И.М.,  Томилко  В.Т.  Упрощенный  метод  расчета  угловых  коэффициентов  излучения  между  поверхностями,  содержащими  перфорированные  элементы.  /  В  сб.  н.  трудов  Наука,  образование,  общество:  проблемы  и  перспективы  развития.  Тамбов.  —  2013.  —  с.  182—183.

5.Шевченко  С.Н.  Перфорационный  эффект  и  его  особенности.  /  Труды  VI  Между  народной  научной  конференции  «Радиационно-термические  эффекты  и  процессы  в  неорганических  материалах».  Томск:  Изд-во  ТПУ.  2008.  —  с.  630—638.