Convective heat exchangeduring the flow-around of a horizontal cylinder with a hot combustion gas stream disturbed by pulsations

• Autorzy: Górska M. , Szecówka L. , Budzik R.

Warianty tytułu

PL

Konwekcyjna wymiana ciepła podczas opływu walca zaburzonym pulsacyjnie strumieniem spalin

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper results of experimental research of convective heat transfer during flow of disturbance hot combustion gas around the horizontal cylinder was presented. Measurements conducted at non-disturbance and pulsation disturbance flow of combustion gas. The air stream supply to burner submit disturbance with frequency definite. Convective heat transfer process determine by used special measuring cylinder with applicable additional instrumentations. Experimental tests were carried out on a properly designed measurement cylinder furnished with a number of thermocouples embedded along the cylinder perimeter. The cylinder was placed horizontally in a heating chamber eąuipped with an axially positioned gas burner fired with natural gas. The measurement region was selected beyond he zonę of the greatest non-uniformities of temperaturę and velocity rields in the heating chamber cross-section, and the disturbances that occurred in this region were generated using a pulsator positioned in the path of primary air feeding to the burner. The experimental tests were conducted in the temperaturę rangę of flowing combustion gas from 250 to 750°C and with the introduction of pulsatory disturbances of a freąuency in the rangę from 14 to 74 Hz. Experimental tests performed with the undisturbed flow were taken as a baseline. The results obtained from the experiment carried out enabled the calculation of the Nu number on the cylinder perimeter and represent it is a function or the freąuency of introduced pulsatory disturbances. The experimental tests carried out have shown an increase in the Nu number at the inflow front in an angle of 0° and in the rear part in an angle of 180°, and a slight decrease at the wali boundary layer detachment point in an angle from 90° to 110°.

PL

Podczas prowadzenia prac nad konwekcyjną wymianą ciepła podczas opływu zaburzonym pulsacyjnie strumieniem płynu zauważono zdecydowany brak publikacji przedstawiających wyniki badań opływu zimnego walca gorącym strumieniem płynu zaburzonego pulsacjami. Badania eksperymentalne wykonano na odpowiednio zaprojektowanym walcu pomiarowym, wyposażonym w szereg termoelementów zatopionych na obwodzie walca. Walec wykonano ze stali nierdzewnej o znanym współczynniku przewodzenia ciepła, który chłodzono od wewnętrznej strony poprzez układ chłodzenia wodnego. Walec umieszczono poziomo w komorze grzewczej wyposażonej w umieszczony osiowo palnik gazowy opalany gazem ziemnym. Regulacje dopływu gazu i powietrza wykonywano przy użyciu zaworów, opierając się o dane z analizatora spalin. Obszar pomiarowy wybrano poza strefą największych nierównomierności pola temperatury i prędkości w przekroju poprzecznym komory grzewczej, a zaburzenia jakie w tym obszarze występowały generowano przy użyciu pulsatora umieszczonego na drodze podawania powietrza pierwotnego do palinka. Opracowano specjalny rodzaj generatora pulsacji, który podczas podawania oscylacyjnego powietrza do palnika nie powodował zgaszenia płomienia w komorze. Częstotliwość pulsacji regulowano za pomocą falownika tyrystorowego. Podczas prowadzenia badań eksperymentalnych w podwyższonych temperaturach, głównym problemem stało się promieniowanie cieplne spalin i ścian komory, które uniemożliwiało prawidłowe wyznaczenie lokalnego współczynnika wnikania ciepła na obwodzie walca. Problem ten rozwiązano przez zastosowanie próżniowego przyrządu do pomiaru strumienia ciepła dostarczanego na drodze promieniowania. Odpowiednio zaprojektowana konstrukcja przyrządu pozwalała na dobór głowicy przyrządu o identycznym współczynniku emisyjności co pozwalało na jego pominięcie w dalszych obliczeniach. Zastosowanie tego przyrządu pozwoliło wyodrębnić z całkowitego strumienia ciepła dostarczanego do powierzchni walca radiacyjny strumień ciepła. Po zastosowaniu tego cyklu obliczeniowego uzyskano strumień ciepła dostarczany jedynie drogą konwekcyjnej wymiany ciepła. Opracowana metodyka pozwalała na wyodrębnienie konwekcyjnej wymiany ciepła niezależnie od temperatury przepływającego gazu i temperatury ścian komory grzewczej. Badania eksperymentalne prowadzono w zakresie temperatur przepływających spalin 250- 750°C oraz przy wprowadzaniu zaburzeń pulsacyjnych o częstotliwości z zakresu 14-74 Hz. Jako punkt odniesienia traktowano badania eksperymentalne wykonane przy przepływie niezaburzonym. Wyniki uzyskane podczas prowadzonego eksperymentu pozwoliły na obliczenie lokalnej liczby Nu na obwodzie walca i przedstawienie w funkcji częstotliwości wprowadzanych zaburzeń pulsacyjnych, temperatury spalin oraz liczby Re. Wprowadzenie pulsacji w przepływ spalin zapewnia ich właściwą cyrkulację, co zasadniczo polepsza warunki wymiany ciepła oraz zwiększa średni współczynnik wnikania ciepła skracając czas potrzebny do osiągnięcia wymaganej temperatury. Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały wzrost liczby Nu od czoła napływu w kącie 0° oraz w tylnej części w kącie 180°, natomiast niewielki spadek w punkcie oderwania warstwy przyściennej w kącie 90-110°. Wyniki badań uzyskanych podczas zaburzonego przepływu odniesiono do wyników uzyskanych podczas stabilnego przepływu spalin w komorze. W celu zapoznania się z zachowaniem warstwy przyściennej oraz rozkładem linii prądu przepływających spalin przeprowadzono symulacje numeryczne z wykorzystaniem programu FLUENT. Symulacje pozwoliły na zaobserwowanie zjawiska narastania warstwy przyściennej poczynając od czoła napływu znajdującego się w kącie 0° do punktu w którym następuje jej oderwanie. Tłumaczy to dlaczego następuje wzrost liczby Nu w tylnej części walca. Badania eksperymentalne były skomplikowane i wymagały opracowania indywidualnej metodyki i odpowiedniego oprzyrządowania do pomiarów w otoczeniu gorącego płynu. Różnorodność technik pomiarowych stosowanych przy chłodzeniu grzanego walca nie mogła być wykorzystana w eksperymencie gdzie walec nagrzewano strumieniem gorących spalin, ponieważ wysoka temperatura wykluczała możliwość ich zastosowania. Prowadzone są dalsze prace nad rozszerzeniem zakresu omawianych wyników badań co pozwoli na szersze rozpoznanie się z przedstawionym zjawiskiem.

Słowa kluczowe

EN

convective heat exchange; cylinder; pulsation; combustion gas

PL

konwekcyjna wymiana ciepła; walec; pulsacja; spaliny

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, iss. 3
• Strony: 919--925
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz. rys.

Twórcy

autor

Górska M.

autor

Szecówka L.

autor

Budzik R.

Bibliografia

• [1] J. H. Lienhard IV, J. H. Lienhard V, A heat transfer textbook. Phlogiston Press. Cambridge-Massachustetts, USA 2001.
• [2] F. L. Addessio, J. R. Baumgardner, J. K. Dukowicz, N. L. Johnson, B. A. Kashiwa, R. M. Rauenzahn, C. Zemach, CAYEAT: A computer codę for fluid dynamics problems with large distortion and internal slip. Los Alamos - National Laboratory, Mexico 1990.
• [3] K. Kitamura, F. Kami-iwa, T. Misumi, Heat transfer and fluid flow of natural convection around large horizontal cylinders. International Journal of Heat and Mass Transfer 42, 4093-4106 (1999).
• [4] K. Kitamura, F. Kimura, Heat transfer and fluid flow of natural convection adjacent to upward-facing horizontal plates. International Journal of Heat and Mass Transfer 38, 3149-3159 (1995).
• [5] H. Koizumi, I. Hosokawa, Chaotic behavior and heat transfer performance of the natural convection around a hot horizontal cylinder affected by a flat ceil-ing. International Journal of Heat and Mass Transfer 39, 1081-1091 (1996).
• [6] S. Sanitjai, R. J. Goldstein, Forced convection heat transfer from a circular cylinder in crossflow to air and liąuids. International Journal of Heat and Mass Transfer 47, 4795-4805 USA (2004).
• [7] S. Sanitjai, R. J. Goldstein, Heat transfer from a circular cylinder to mixtures of water and ethylene glycol. International Journal of Heat and Mass Transfer 47, 4785-4794, USA (2004).
• [8] M. Wen, K. Jang, Forced convection heat transfer at an inclined and yawed round tubę. International Journal of Heat and Mass Transfer 45, 2031-2042, Tajwan (2002).
• [9] Fu W. S., Tong B. H.: Numerical investigation of heat transfer characteristics of the heated blocks in the chan-nel with a transversely oscillating cylinder. International Journal of Heat and Mass Transfer 47, 341-351 (2004).
• [10] S. Krishnamoorthy, S. J. Price, M. P. Paidoussis, Cross-flow past an oscillating circular cylinder: synchronization phenomena in the near wake. Journal of Fluid and Structures 15, . 955-980 (2001).
• [11] J. Carberry, J. Sheridan, D. Rockwell, Forces and wake modes of an oscillating cylinder. Journal of Fluids and Structures 15, 523-532 (2001).
• [12] L. Szecówka, M. Górska, T Janda, Analiza wpływu tarcia powierzchniowego na konwekcyjną wymianę ciepła podczas opływu strumieniem gazu okrągłego wsadu stalowego. Produkcja i Zarządzanie w Hutnictwie. XIII Konferencja Naukowo-Techniczna, 119-122, Częstochowa 2005.
• [13] L. Szecówka, M. Górska, Konwekcyjna wymiana ciepła podczas opływu okrągłego wsadu stalowego zaburzonego pulsacyjnie strumieniem gazu. VI Międzynarodowa Konferencja Naukowa. Nowe technologie i osiągnięcia w metalurgii i inżynierii materiałowej, 76-79, cz.l. Częstochowa 2005.
• [14] L. Szecówka, M. Górska, The Numerical Mod-elling of Pulsation Disturbance Flow Around a Circular Steel Charge. Acta Metali. Slovaca R.ll nr 1, 321-325, Slovak Republic 2005.
• [15] M. Górska, L. Szecówka, T. Janda, Modelowanie numeryczne wprowadzanych zaburzeń w przepływie spalin w piecu przepychowym w celu zwiększenia wydajności. XIV International Scientific Confer-ence, Iron and Steelmaking, Mała Lucivna 2004.
• [16] L. Szecówka, Wpływ pulsacji na spalanie paliw gazowych i emisję zanieczyszczeń. Seria: Metalurgia nr 17, Częstochowa 2001