Wpływ kąta skręcenia żeber wewnętrznych na proces wymiany ciepła w rurach obustronnie żebrowanych dr inż. Artur Szajding dr hab. inż. Tadeusz Telejko, prof. AGH dr inż. Marcin Rywotycki dr inż. Monika Kuźnia Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Techniki Cieplnej i Ochrony Środowiska
Rury obustronnie żebrowane z wirowym przepływem medium Rura obustronnie żebrowana Przekrój rury obustronnie żebrowanej
Obliczenia współczynnika wnikania ciepła po stronie wewnętrznej rury w oparciu o zależności kryterialne Nu 0,023Re 0,8 Pr 0,4 xs / core 0,1 w / w0 0,5 sec 3 Nu Nu st l d c w 1/ 2 n xs 0,8 w / w0 0,29 1 1,792 SW 0,64 H 2,76 Re 0,27 Nu Nu st l d c w 1/ 2 n xs 0,8 w / w0 1,0 1 0,059 SW 0,31 W 0,66
Rury przeznaczone do badań Rury wytypowane do badań Lp., /100mm, 1 2,0 139 14,27 2 3,0 117 12,12 3 3,5 91 9,45 4 4,5 46 4,83 5 5,0 39 4,09 6 6,0 0 0,00 Geometria rur przeznaczonych do badań
Stanowisko badawcze Schemat ideowy stanowiska do badań cieplno-przepływowych 1 komputer rejestrujący pomiar temperatury; 2 termometr cyfrowy; 3, 8 miernik różnicy ciśnień; 4, 9 przetwornik różnicy ciśnień; 5 termoanemometr; 6 przetwornik AC/DC; 7 komputer rejestrujący prędkość powietrza; 10 rotametr; 11 zbiornik oleju z zamontowaną grzałką elektryczną; 12 autotransformator; T1, T2 punkt pomiaru temperatury oleju; T3, T4 punkt pomiaru temperatury powietrza; Vpow punkt pomiaru prędkości powietrza
Obliczenia współczynnika wnikania ciepła po stronie wewnętrznej rury w oparciu o wyniki eksperymentu Q I ol I pow I ol mc t t olpolol inol _ out I mc t t pow pow ppow _ pow _ out pow _ in Q k z t lmtd
Obliczenia współczynnika wnikania ciepła po stronie wewnętrznej rury w oparciu o wyniki eksperymentu Q pow Q prz Q ol w 1 k d p 2 d w lm z w z z 1 z
Obliczenia współczynnika wnikania ciepła po stronie zewnętrznej rury w oparciu o zależności kryterialne Nu 0,134 Re 0,681 Pr 1/3 s h 0,2 s g z 0,1134 Nu, Re, Pr - liczby kryterialne Nusselta, Reynoldsa i Prandtla; s h g z - prześwit pomiędzy sąsiednimi żebrami; - wysokość żebra; - średnia grubość żebra
Wyniki pomiarów i obliczeń 0.008 0.006 StPr 2/3 0.004 Bilans cieplny Carnavos Jensen i Vlakancic (wysokie żebra) Jensen i Vlakancic (mikro-żebra) 0.002 14,27 O 1000 2000 3000 4000 5000 Re 4,09 O Wyniki obliczeń StPr 2/3 w funkcji wartości liczby Reynoldsa
Wyniki pomiarów i obliczeń 450 V ol = 0,753 m/s 500 V ol = 0,878 m/s 400 450 350 400 w, W/(m 2 K) w, W/(m 2 K) 300 250 200 0 4 8 12 16 Wpływ kąta pochylenia linii śrubowej żeber wewnętrznych γ na wartość współczynnika wnikania ciepła od oleju do wewnętrznej powierzchni rury dla różnych temperatur oleju przy V ol = 0,753 m/s, O = 80 O C, R 2 = 0,9529 = 75 O C, R 2 = 0,9756 = 70 O C, R 2 = 0,9744 = 65 O C, R 2 = 0,9793 = 60 O C, R 2 = 0,9637 350 300 250 0 4 8 12 16, O = 80 O C = 75 O C = 70 O C = 65 O C = 60 O C Wpływ kąta pochylenia linii śrubowej żeber wewnętrznych γ na wartość współczynnika wnikania ciepła od oleju do wewnętrznej powierzchni rury dla różnych temperatur oleju przy V ol = 0,878 m/s
Wyniki pomiarów i obliczeń 800 600 w, W/(m 2 K) 400 = 14,27 O = 12,12 O 200 = 9,45 O = 4,83 O = 4,09 O 0 = 0,00 O 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 Re ol Zależność współczynnika wnikania ciepła od oleju do wewnętrznej powierzchni rury od parametrów przepływu oleju dla różnych kątów skręcenia żeber wewnętrznych
Q, W Q, W Wyniki pomiarów i obliczeń V pow = 7,28 m/s V ol = 0,753 m/s V pow = 7,28 m/s V ol = 0,878 m/s 2400 = 14,27 O 2400 = 14,27 O = 12,12 O = 12,12 O 2000 = 9,45 O = 4,83 O = 4,09 O 2000 = 9,45 O = 4,83 O = 4,09 O 1600 = 0,00 O = 0,00 O 1600 1200 800 1200 400 800 55 60 65 70 75 80 85 Temperatura wpływającego oleju, o C Wpływ temperatury oleju oraz kąta pochylenia linii śrubowej żeber wewnętrznych na wartość strumienia ciepła przekazywanego przez rury przy V pow = 7,28 m/s i V ol = 0,753 m/s 55 60 65 70 75 80 85 Temperatura wpływającego oleju, o C Wpływ temperatury oleju oraz kąta pochylenia linii śrubowej żeber wewnętrznych na wartość strumienia ciepła przekazywanego przez rury przy V pow = 7,28 m/s i V ol = 0,878 m/s
Q, W Q, W Wyniki pomiarów i obliczeń V pow = 6,60 m/s V ol = 0,753 m/s V pow = 6,60 m/s V ol = 0,878 m/s 2400 2000 1600 = 14,27 O, R 2 = 0,9953 = 12,12 O, R 2 = 0,9914 = 9,45 O, R 2 = 0,9952 = 4,83 O, R 2 = 0,9772 = 4,09 O, R 2 = 0,9869 = 0,00 O, R 2 = 0,9807 2400 2000 = 14,27 O = 12,12 O = 9,45 O = 4,83 O = 4,09 O = 0,00 O 1600 1200 800 1200 400 800 55 60 65 70 75 80 85 Temperatura wpływającego oleju, o C Wpływ temperatury oleju oraz kąta pochylenia linii śrubowej żeber wewnętrznych na wartość strumienia ciepła przekazywanego przez rury przy V pow = 6,60 m/s i V ol = 0,753 m/s 55 60 65 70 75 80 85 Temperatura wpływającego oleju, o C Wpływ temperatury oleju oraz kąta pochylenia linii śrubowej żeber wewnętrznych na wartość strumienia ciepła przekazywanego przez rury przy V pow = 6,60 m/s i V ol = 0,878 m/s
Q, W Wyniki pomiarów i obliczeń 2400 = 14,27 o = 12,12 o 2000 = 9,45 o = 4,83 o = 4,09 o 1600 = 0,00 o 1200 800 400 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 Re ol Zależność strumienia ciepła przekazywanego przez rurę obustronnie żebrowaną od parametrów przepływu oleju dla różnych kątów skręcenia żeber wewnętrznych
Wnioski Kąt skręcenia żeber wewnętrznych ma wpływ na intensyfikację wymiany ciepła w rurach obustronnie żebrowanych. Zwiększenie kąta skręcenia żeber wewnętrznych powoduje wzrost przekazywanego strumienia ciepła. Zwiększenie tego kąta od 0 /10cm do 139 /10cm przy zachowaniu pozostałych parametrów przepływu na niezmienionym poziomie powodował wzrost ilości wymienianego ciepła o ok. 50 100%. Wyniki empiryczne wskazują, że optymalizacja ożebrowania wewnętrznego rur pozwala na zwiększenie mocy wymiennika lub przy zachowaniu jego dotychczasowej mocy, na zmniejszenie ilości rur w wymienniku. Pozwala to na obniżenie zarówno wagi jak i kosztów materiałowych wymiennika.
Wnioski Zmiana parametrów przepływu cieczy wewnątrz rury w kierunku rosnących wartości powoduje zwiększenie strumienia ciepła przekazywanego przez rurę obustronnie żebrowaną. Otrzymane wyniki obliczeń wykonane za pomocą zależności kryterialnych służących wyznaczeniu współczynnika wnikania ciepła po wewnętrznej stronie rury z wewnętrznym spiralnym ożebrowaniem, wykazują znaczące różnice pomiędzy sobą, a rozbieżność wyników obliczeń uniemożliwia wybranie jednej najlepszej zależności służącej do obliczania wymiany ciepła w rurach obustronnie żebrowanych. Stanowi to duży problem w wykorzystaniu tego typu rur w zastosowaniach praktycznych.
Dziękuję za uwagę