Теплообмен при фильтрации жидкости в кольцевом канале, заполненном пористой средой

Abstract

Актуальность работы обусловлена широким использованием пористых сред как при проектировании и оптимизации компактных теплообменников, так и в инженерных расчетах характеристик тепломассообмена в каналах с зернистой средой и при обтекании тел, погруженных в пористую среду. Цель: экспериментальное исследование процесса переноса тепла от стенки кольцевого канала к фильтрующейся через пористую вставку жидкости при различных режимах течения; получение полуэмпирических корреляций для теплообмена в инерционном режиме фильтрации жидкости в кольцевом канале. Объект: кольцевой канал с пористой вставкой, состоящей из стеклянных шариков одного диаметра с разными типами как регулярных, так и хаотических упаковок. Методы: экспериментальные методы поиска закономерностей процессов теплообмена. В опытах с помощью термопар измерялась температура обогреваемой внешней стенки кольцевого канала в четырех сечениях и температура нагревателя в двух разных точках. Также измерялись температуры на входе в рабочий участок и на выходе из него. Одновременно с тепловыми исследованиями измерялся расход жидкости при фильтрации через пористую вставку. Пористость определялась обычным весовым способом. В специальных тарировочных опытах отдельно определялись тепловые потери рабочего участка. Расчет коэффициента теплоотдачи проводился по подводимому потоку тепла к наружной стенке кольцевого канала с учетом тепловых потерь и по разности измеряемой температуры стенки и среднемассовой температуры жидкости в данном сечении. Результаты. Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена фильтрационного потока жидкости со стенками кольцевого канала, заполненного пористой средой, при постоянном тепловом потоке на внешней стенке. Исследование проводилось на кольцевых каналах с различной шириной. По ширине канала укладывался или один слой шаров одного диаметра с двумя типами упаковок: кубической и ромбоэдрической, или несколько слоев шаров, но уже с произвольной упаковкой (от 3 до 10 шаров по ширине канала). При обработке экспериментальных данных в качестве определяющего геометрического параметра выбран гидравлический диаметр зерна. Показано, что в зависимости от режима фильтрации через пористую вставку существуют различные законы теплообмена. Так, для турбулентного режима фильтрации полученные данные для теплообмена хорошо обобщаются универсальным "законом двух третей". Приведено сравнение с данными других авторов для теплообмена в кольцевом канале и в круглой трубе. Показано, что в инерционном режиме фильтрации теплообмен соответствует закономерности Nu~Re1/2.

The relevance of the work is caused by the wide use of porous media, both in the design and optimization of compact heat exchangers and in the engineering calculations of the characteristics of heat and mass transfer in the channels with a grainy medium and when flowing around the bodies immersed in the porous medium. The main aim of the research is the experimental study of heat transfer in an annular channel filled with a granular medium at various modes of liquid filtration; to obtain semi-empirical correlations for heat transfer in the inertial mode of fluid filtration in an annular channel. Objects: annular channel with a porous insert consisting of glass beads of the same diameter with different types of both regular and chaotic pakings. Methods: experimental methods for finding the patterns of heat exchange processes. In experiments, using thermocouples, the temperature of the heated outer wall of the annular channel was measured in four sections and the temperature of the heater at two different points. The temperatures at the inlet to the working station and at the output of it were measured as well. Simultaneously with thermal investigation, the fluid flow was measured when filtering through a porous insert. Porosity was determined by the usual weighty way. In special calibration experiments, the heat losses of the working section were determined separately. The calculation of the heat transfer coefficient was carried out according to the flow of heat to the outer wall of the annular channel, taking into account heat losses and, along the difference in the measured wall temperature and the medium-mass fluid temperature in this section. The paper introduces the results of the experimental study of liquid filtration flow heat exchange with the walls of the annular channel filled with a porous medium at constant heat flux on the outer wall. The study was conducted on ring channels with different widths. The width of the channel was laid either one layer of the balls of one diameter with two types of packages: cubic and rhombohedral, or several layers of balls, but already with arbitrary packaging (from 3 to 10 ball width). When processing the experimental data, hydraulic grain diameter is selected as the determining geometric parameter. It is shown that, depending on the filtration mode, various laws of heat exchange exist through a porous insert. So for the turbulent filtering mode, the obtained data for heat exchange is well summarized by the universal "law of two-thirds". The paper introduces the comparison with the data of other authors, both for heat exchange in the annular channel and in a round tube. It is shown that in the inertial mode of filtration, the heat exchange corresponds to the regularity of Nu~Re1/2.