Установка для идентификации турбулентного начального участка в каналах малого поперечного сечения

Изобретение относится к области гидродинамики и может быть использовано при разработке теплообменных аппаратов, использующих эффект начального участка.

Одной из фундаментальных задач гидродинамики является определение влияния условий входа рабочего тела в каналы различного поперечного сечения на протяженность области, в которой формируется структура установившегося турбулентного течения ньютоновской жидкости. Данная задача имеет важное прикладное значение при идентификации явлений переноса в несопряженных и слабосопряженных процессах тепломассообмена в энергетике, авиакосмической технике, химической и пищевой промышленности и других областях техники.

Известен способ идентификации турбулентного начального участка в каналах малого поперечного сечения, заключающийся в определении влияния условий входа в каналы различного поперечного сечения на протяженность области, в которой формируется структура установившегося турбулентного течения ньютоновской жидкости, что, перед началом исследования, в емкость заливают исследуемую ньютоновскую жидкость затем жидкость из емкости подают в исследуемый теплообменник, представляющий собой трубопровод, состоящий из нескольких параллельных участков, соединенных между собой, после чего исследуемую жидкость из теплообменника сливают в мерную емкость, которую устанавливают на высокоточные весы, после чего определяют гипотетическое давление на входе в канал путем суммирования значения ранее измеренного давления в канале при помощи установленного на выходе манометра и определенного расчетным путем значения перепада давления (Lien K., Monty J.P., Chong M.S., Ooi A. The Entrance length for Fully Developed Turbulent Channel Flaw/ 15^th Australasian Fluid Mechanics Conference. The University of Sydney, Sydney, Australia. Sydney: US. 2004. pp. 44-49).

Известна установка для реализации указанного способа, содержащая емкость для исследуемой ньютоновской жидкости, теплообменник, представляющий собой трубопровод, состоящий из нескольких параллельных участков, соединенных между собой, причем полость упомянутой емкости соединена с входной частью полости теплообменника, при этом выходная часть полости теплообменника открывается в полость мерной емкости, установленной на высокоточных весах, компрессорный агрегат (Lien K., Monty J.P., Chong M.S., Ooi A. The Entrance length for Fully Developed Turbulent Channel Flaw/ 15^th Australasian Fluid Mechanics Conference. The University of Sydney, Sydney, Australia. Sydney: US. 2004. pp. 44-49 - прототип).

Основным недостатком указанной установки является влияние пульсаций жидкости на точность замеров.

Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков и создание установки для идентификации турбулентного начального участка в каналах малого поперечного сечения, применение которой позволит обеспечить требуемую точность измерений.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенной установке для идентификации турбулентного начального участка в каналах малого поперечного сечения, содержащей емкость для исследуемой ньютоновской жидкости, теплообменник, представляющий собой трубопровод, состоящий из нескольких параллельных участков, соединенных между собой, причем полость упомянутой емкости соединена с входной частью полости теплообменника, при этом выходная часть полости теплообменника открывается в полость мерной емкости, установленной на высокоточных весах, согласно изобретению, полость емкости для исследуемой жидкости дополнительно соединена с выходной полостью компрессорного агрегата, а входная часть полости мерной емкости соединена с выходным патрубком емкости для исследуемой жидкости через полость теплообменника и через полость емкости исследуемой жидкости с полостью компрессорного агрегата.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема установки, на фиг. 2 - графики изменения избыточного давления по длине трубы с внутренним диаметром 4,5 мм, полученные экспериментальным и теоретическим путем. На фиг. 3 приведена зависимость длины начального участка от числа Рейнольдса. Полученные данные свидетельствуют, что длина начального участка больше экспериментальных данных, полученных по действующим методикам. Сплошная линия-расчет без учета влияния начального участка. Точками обозначены экспериментальные значения.

Предложенная установка содержит компрессорный агрегат 1, соединенный с полостью емкости 2 для исследуемой ньютоновской жидкости (далее-жидкость). На выходе из полости емкости 2 установлен манометр 3, который измеряет давление жидкости на входе в теплообменник 4. На выходе из теплообменника 4 установлен манометр 5 для определения давления исследуемой ньютоновской жидкости. Из теплообменника 4 исследуемая ньютоновская жидкость под давлением поступает в приемную емкость 6. Приемная емкость 6 установлена на высокоточных весах 7. Для перепуска жидкости из теплообменника 4 в емкость 6 служит вентиль 8, а для перепуска жидкости из емкости 2 в теплобменник 4 - вентиль 9. Для измерения давления жидкости на входе в емкость 2 установлен манометр 10. Для соединения емкости 2 с компрессорным агрегатом 1 служит вентиль 11.

В линии между компрессорным агрегатом 1 и емкостью 2 установлен регулятор давления 12.

Предложенная установка работает следующим образом.

В емкость 2 заливается ньютоновскую жидкость. При помощи компрессорного агрегата 1 создается требуемое давление в паровом пространстве емкости 2. Контроль давления проводится по манометру 10. Величина создаваемого давления регулируется при помощи регулятора давления 12. Открывается вентиль 9, и при наступлении стационарного режима течения, который определяется по манометрам 3 и 5, установленным на входе и на выходе из теплообменника соответственно, открывается вентиль 8. Слив ньютоновской жидкости производится в приемную емкость 6, которая предварительно устанавливается на высокоточных весах 7. Установившийся режим течения контролируется по показаниям манометров 3 и 5.

На рабочем участке теплообменника, между манометрами 3 и 5, измерения проводят при помощи стационарных манометров типа МО с условными шкалами и одновитковой пружиной класса точности 0,15 (не обозначены).

Путем многократных сливов определяются начало t_нач и окончание t_кон промежутка времени в секундах, а также показания весов в эти моменты времени m_нач и m_кон в килограммах, после чего находятся локальные массовые расходы G_i:

После определения локальных расходов определяется массовый расход G:

Работы проводились при четырехкратных проливках.

Зная плотность жидкости ρ, определяется объемный расход U:

После чего, определив проходную площадь сечения S по внутреннему диаметру канала d, определяют среднюю скорость течения жидкости в канале:

По вычисленной средней скорости и известной кинематической вязкости ϑ исследуемой ньютоновской жидкости определяется режим течения по числу Рейнольдса Re:

После этого по числу Рейнольдса и формуле Блазиуса для установившегося режима получается значение коэффициента сопротивления трению ξ:

И далее определяется перепад давления ΔР на теплообменнике без учета начального давления по формуле Дарси:

,

где: - длина канала.

После чего, по измеренному давлению на манометре 5, определяется гипотетическое давление на входе в канал Р_о теплообменника

Проведенные авторами и заявителем теоретические, экспериментальные и аналитические исследования подтвердили правильность приложенных конструкторско-технологических решений.

Следует понимать, что в устройство вышеописанной установки и ее составных частей можно вносить различные изменения, модификации и (или) добавления, не выходя при этом за рамки сущности и объема изобретения.

Использование предложенного технического решения позволит создать установку для идентификации турбулентного начального участка в каналах малого поперечного сечения, применение которой даст возможность более подробно описать турбулентное течение на входном гидродинамическом участке и исключить влияние пульсаций жидкости на замеры.