Свободноконвективный теплообмен плоской неизотермической поверхности при различной ее ориентации


УДК 536.25.02


К. Ю. Федоровский

СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ПЛОСКОЙ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ЕЕ ОРИЕНТАЦИИ

                    Экспериментально исследована турбулентная свободноконвективная теплоотдача неизотермической поверхности плиты.

   Повышение надежности эксплуатации судового энергетического оборудования требует перехода к замкнутым системам его охлаждения. Наиболее перспективно на этом пути использование судовых обшивочных теплообменных аппаратов (СОТОА) [1]. В общем случае СОТОА представляет собой лабиринтный канал, расположенный на внутренней стороне обшивки корпуса судна и включающий элементы его набора. Нагретая в энергетическом оборудовании пресная вода прокачивается через этот канал, в результате чего ее теплота передается через обшивку забортной воде. Скорость движения горячей пресной воды в канале СОТОА обычно составляет около 1 м/с, что приводит к теплоотдаче вынужденной конвекцией при развитом турбулентном режиме.
   Судно может двигаться или находиться на месте. В первом случае у теплоотдача забортной воде осуществляется посредством вынужденной, а во втором — свободной конвекции. Хорошо известно, что при вынужденной конвекции теплоотдача значительно более интенсивна, чем при | свободной. Следовательно, при стоянке судна создаются наиболее не- * благоприятные условия работы СОТОА. Поэтому указанный режим считается основным расчетным режимом. Выполненные в соответствии с [1] расчеты показывают, что в лабиринтном канале достигаются сравнительно большие значения коэффициента теплоотдачи, равные 3,5—4,5 кВт/(м²-К). Это говорит о решающем влиянии на теплоотдачу в СОТОА процесса свободноконвективной теплоотдачи забортной воде.
   Специфичный характер движения горячей пресной воды вдоль обшивки приводит к формированию сложных температурных условий на наружной поверхности. Это, как отмечается в работе [21, существенно влияет на развитие процесса теплообмена, поскольку связано с деформацией распределения температуры в тепловом пограничном слое и его толщины. Поэтому не представляется возможным использовать для расчета СОТОА хорошо известные зависимости для изотермических поверхностей. Предварительные расчеты позволили установить, что теплоотдача забортной воде происходит посредством турбулентной свободной конвекции. В большинстве же работ по теплоотдаче плоских неизотермических поверхностей изучаются и разрабатываются методы расчета для ламинарной свободной конвекции.
   Было предпринято экспериментальное исследование свободноконвективного теплообмена плоской неизотермической поверхности обшивки СОТОА с целью установления необходимых зависимостей. Для этого использовалась плоская стальная плита толщиной 10 мм (что соответствует толщине обшивки судна) с размерами 1X1 м. С одной стороны плиты находился лабиринтный канал, по которому текла горячая пресная вода, создающая на другой поверхности плиты поле температур, аналогичное существующему в реальной конструкции. Канал был тщательно теплоизолирован, что обеспечило теплоотвод только через плиту. Исследуемая модель располагалась в емкости объемом около 20 м³, заполненной морской водой. Экспериментальная установка позволяла изменять угол наклона плиты ср между горизонталью и направлением теплового потока от значений ср = —90° (теплоотдача вниз) до ср = 90° (теп

186