авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева ...»

-- [ Страница 12 ] --

При сравнении эффективности различных ИТ (т.е. каналов или ТА с ИТ) на базе коэффициента E в расчетных данных, сопровождающих сравнение, Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования присутствует информация, позволяющая вычислить все относительные пара метры вида F/F0 и др.

В.И.Антуфьев предложил записать энергетический коэффициент в фор ме, исключающей влияние температурного напора t :

Q E = = =, Nt N / F N /( l) где - коэффициент теплоотдачи;

F = l ;

- периметр поперечного сече ния канала;

l - длина канала. Разумно использовать коэффициент E или его относительную форму E = E / E. Сопоставление кожухотрубных ТА с раз личными ИТ (или с гладкими каналами) целесообразно проводить при сле дующих одинаковых для всех ТА условиях (которые не ограничивают область сравнения!):

Re;

l;

D;

N1 (F;

G;

V) = idem (7.1) где равенство параметров, заключенных в скобки, есть следствие одинаковости других величин, входящих в (7.1);

D - диаметр гладкой части трубы, N1 - чис ло труб в ТА;

G, V - массовый и объемный расходы теплоносителя. Тогда рас четное соотношение 0 позволяет судить (при t = idem ) о соотношении те плопроизводительностей интенсифицированного и гладкостенного каналов (ТА) Q Q 0 в условиях (7.1). Одновременно величина 0 показывает воз можности сокращения поверхности канала с ИТ F относительно поверхности гладкого - F0. Величина отношения вычисленных при Q = idem коэффициентов сопротивления / 0 характеризует соотношение мощностей прокачивания N/N 0. Следовательно, коэффициент E и сопутствующие его определению расчётные данные гарантируют возможность сравнения при условиях (7.1) всех основных параметров - Q, N, F для каналов (ТА) с различными ИТ и без них, т.е. обеспечивается полноценное сопоставление разнообразных ИТ между со бой. Поэтому коэффициент E необходимо классифицировать в качестве про сто и физически ясного, основополагающего критерия оценки эффективности ИТ, каналов, ТА. Теплообменник, имеющий качество на уровне E = max, и ИТ, обеспечившие такое качество, являются максимально эффективными (опти мальными).

Дополнительное преимущество метода оценки эффективности с помо щью коэффициента E заключается в том, что открывается возможность непо средственного сравнения параметров E, Q, N, F, V1 для разнообразных, реаль но проектируемых вариантов ТА без предварительного пересчёта их с целью приведения сравниваемых ТА к некоторым условным аппаратам, имеющим, например, равные мощности прокачивания или теплопроизводительности.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Разумеется, что основная цель преобладающего большинства остальных методов оценки эффективности ТА (существующих или только замышляемых) – сравнение главных параметров ТА: Q, N, F (при равенстве некоторых прочих условий) для нескольких аппаратов. Следовательно, остальные методы прин ципиально обречены на существенное повторение идеи коэффициента E или тех относительных параметров ( Q Q 0, N N 0 ), которые можно извлечь из ре зультатов расчётов, сопутствующих вычислению величины E для сравнивае мых ТА.

Например, для оценки эффективности использования ИТО в ТА в литера туре часто рекомендуется коэффициент = (Nu Nu 0 ) ( 0 ), который можно переписать в форме = E E, т.е. представить отношением коэффициентов E для ТА с ИТ и для обычного ТА (гладкостенного). Повторение идеи E в со держании коэффициента очевидно. Необходимо отметить, что форма коэф фициента = E E предпочтительна, т.к. она отчётливо и в полной мере де монстрирует индивидуальное совершенство и соотношение качеств интенси фицированного и обычного ТА. Запись в виде = (Nu Nu 0 ) ( 0 ) представля ет лишь косвенную, неявную информацию о совершенстве сравниваемых ТА.

Сравнение интенсивности теплоотдачи в каналах и теплопроизводитель ности ТА (каналов) при условии N ;

F = idem предлагается проводить с помо щью коэффициентов R 3 = 0 (А.Берглс) и K Q = Q Q 0 [2]. Во-первых, при практическом поиске оптимального ТА на основе проектирования ряда вариан тов функцией цели должно служить условие E = max, требование фиксирован ной мощности прокачивания N = idem при сравнении реально разрабатывае мых вариантов ТА – искусственное, оно является существенным недостатком коэффициентов R 3 и K Q. Фактически эти коэффициенты более предназначены для сопоставления неких условных вариантов ТА (пересчитанных на одинако вую мощность), чем для выполнения роли инструмента ориентировки в процес се реального проектирования (Коэффициенты R 3, K Q могут быть востребова ны, точнее возникнут как самоочевидные критерии, только в одном частном случае – при проектировании ТА на заранее заданные допустимые потери дав ления). Относительно новизны коэффициенты K Q по сравнению с E можно добавить, что K Q = E E 0 (при N = idem ), т.е. коэффициент K Q в относитель ном видеповторяет содержание критерия E. Во-вторых, безразмерные пара метры 0 и Q Q 0 представляют предварительную, промежуточную инфор мацию при расчёте коэффициентов E, и в этом смысле коэффициенты R 3, K Q не приносят новых сведенеий по сравнению с коэффициентом E для условий (7.1). В-третьих, легко заметить, что по своему содержанию величины R 3, K Q фактически дублируют друг друга- сравнивают теплообменные свойства ТА. В четвёртых, параметр R 3 однозначен и корректен, а K Q содержит суммарные Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования сведения по влиянию на Q величин и t без выяснения доли воздействия каждой.

Согласно методу расчётных затрат (при простейщей трактовке) ниаболее эффективный ТА соответствует условию З = И + Э = min, И - затраты (в руб.) на изготовление ТА, Э – затраты на эксплуатацию (в руб.) ТА в течение неко торого периода времени, З – суммарные затраты.. Величина И преимуществен но определяется размерами рабочей поверхности ТА - F, а параметр Э – затра тами мощности на прокачивание - N. Площадь F (при прочих равных услови ях) может служить эквивалентом Q, тогда определение наиболее выгодного ТА записывается в форме Q + N = min (при некоторой потребной фиксированной теплопроизводительности Q = idem для ряда ТА), откуда следует, что в методе расчётных затрат (как и при использовании коэффициента E !) оптимальный ТА соответствует наиболее выгодному соотношению величин Q и N (При Q = idem нежелательно достичь N = min ). Именно поэтому, результаты опти мизации ТА по параметрам З и E в большинстве случаев совпадают [3,4]. При этом необходимо заметить, что критерий E более компактен и удобен, чем З.

Если при оптимизации ТА из рассуждений выпадает коэффициент E, то это может привести к разработке ошибочных методов поиска наивыгоднейших выриантов ТА. Например, в случае применения ИТО в литературе рекоменду ется находить лучший ТА посредством сравнения размеров поверхностей теп лообмена F интенсифицированного и гладкостенного ТА при условии Q = Q 0, G = G 0, N = N 0. Очевидно, что в процессе поиска оптимального ТА ав томатически закладывается постоянство коэффициентов E = Q N = const для любых вариантов ТА, т.е. закрывается возможность теплогидродинамического усовершенствования (увеличения E ) лучшего, искомого ТА с ИТ.

Анализ многих распространённых методов объективно даёт, что наиболее обоснованным и лаконичным методом оценки эффективности ИТ (ТА) является энергетический коэффициент E (или E ), который и используется в новейшей литературе [5].

С практической точки зрения сопоставление ТА в условиях (7.1) соответ ствует процессу оценки возможных полезных эффектов от последовательного применения различных ИТ в одном и том же существующем (эксплуатируе мом) ТА посредством сравнения вариантов модернизированных, интенсифици рованных ТА (с разными ИТ) между собой и с гладкотрубным ТА. Модерниза ция эксплуатируемых ТА в условиях (7.1) осуществляется при неизменных конструкции, размерах ТА и расходах теплоносителей. В случаях такой модер низации ТА изменение ТА связано лишь с формированием ИТ на стенках кана лов. В нестеснённых каналах при турбулентном потоке рассматриваемые ИТ позволяют, как правило, получить Nu Nu 0 / 0, и Nu Nu 0 2,5. Для огра ниченного интервала размеров ИТ возможно некоторое превышение роста теп лоотдачи над увеличением сопротивления Nu Nu 0 / 0. Следовательно, в большинстве случаев модернизация существующих ТА с помощью ИТО харак Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования теризуется соотношением E 1. Выигрыш в теплопроизводительности может быть значительным и определяется параметром Nu Nu g. Итак, модернизация серийных ТА обсуждаемым образом не обеспечивает значительного (более, чем на десятки процентов) повышения эффективности ( E ) интенсифицированного ТА по сравнению с обычным (гладкостенным) [6].

Если при модернизации ТА имеется возможность снижения скорости те плоносителя по сравнению с её значением в гладкостенном ТА или в случае проектирования нового ТА с ИТ, когда конструктор располагает широким по лем выбора исходных параметров ТА, тогда эффективность ( E ) теплообмен ного оборудования с ИТ может быть повышена в несколько раз! по сравнению с гладкостенным [3,6].

Очевидно, что соотношение E 1, сопровождающее сравнение каналов (ТА) с ИТ и гладкостенных каналов (ТА) в условиях (7.1) совершенно не озна чает, что теплогидравлические качества интенсифицированных каналов всегда хуже, чем гладких. Интенсификаторы с оптимальными размерами для соответ ствующего числа Re весьма значительно увеличивают эффективность канала (ТА) [3,6]. Выражение E 1 лишь подчёркивает важное опытное положение:

теплогидравлическое качество гладкостенного канала невозможно значительно повысить за счёт использования рассматриваемых ИТ в условиях (7.1), когда значение скорости потока в гладком канале сохраняется неизменным при мон таже ИТ в этом гладком канале.

Как отмечено выше, сравнение эффективности каналов с ИТ в условиях (7.1) позволяет выяснить теплогидравлическую ценность рассматриваемых ИТ.

В качестве логического вывода из анализа проблемы оценки эффективно сти ИТ впервые формулируется цель промышленно рационального применения ИТО. Использование ИТ во вновь проектируемых ТА целесообразно лишь при удовлетворении условий: 0, E E 0 (выполнение которых должно сопро вождаться улучшением, по крайней мере, одного из главных параметров ТА Q, N, F), соответствующие ИТ–эффективные. Равенство E = E 0 (или незначи тельное снижение E относительно E 0 ) допустимо только при модернизации серийного действующего гладкостенного парка ТА за счёт внедрения в конст рукцию теплообменника ИТ [6]. Эта ситуация соответствует модернизации и сравнению ТА в условиях (7.1).

7.2. Технология сравнения интенсификаторов, оптимизация их геометрических параметров Вполне очевидно, что корректное сравнение эффективности различных типов ИТ должно предполагать сопоставление свойств оптимальных (макси мально эффективных) вариантов ИТ для каждого отдельного типа ИТ (при Re = idem ). В пределах совокупности возможных, технически целесообразных размеров ИТ данного типа оптимальные геометрические параметры ИТ (пре Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования дельно эффективный ИТ) определяются условием достижения E = max для ка нала (ТА) при этих размерах ИТ. Сравнение различных ИТ осуществляется по средством анализа взаиморасположения графиков зависимостей вида E = f (Re ) для обсуждаемых типов ИТ.

В настоящей работе оптимальные размеры кольцевых поперечных вы ступов в трубе находились следующим конктретным образом. При некотором фиксированном числе Re ( Re = idem ) для ряда постоянных значений относи тельных высот выступов h D =0,01-0,06, рекомендованных в [1] при всех раз мерах шагов выступов в разумном диапазоне t h =4-10 вычислялись величины E. Случай E = max указывал оптимальные размеры выступов ( h D ;

t h ) opt для заданного числа Re = WD. ( D - внутренний диаметр гладкой части тру бы). Расчёты проводились для опытно исследованной в [1] области чисел Re.

Результат расчётов – график зависимости максимальных значений коэффици ента Emax (оптимальных размеров выступов) от числа Re - Emax = f (Re ) - в координатах Re, Emax для актуальной области чисел Re. Аналогичным путём выполнялись расчёты для других типов рассматриваемых ИТ.

При вычислении коэффициента E расчёт теплоотдачи и сопротивления проводился по уравнениям подобия, поэтому величину E удобно записать в форме Nu E = c, где значение « c » постоянно для фиксированного числа Re и неизменных свойств потока,, = idem. Для круглых труб константа « c » имеет вид 8D c1 = 3 3, Re для каналов любого поперечного сечения:

2ПD Э c2 =, S Re где П – периметр поперечного сечения канала, S - площадь сечения канала, D Э - эквивалентный диаметр гладкой части канала. Для всех сравниваемых каналов с ИТ (и гладкого) необходимо выдерживать условие D = D Э = idem.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования 7.3. Краткая характеристика различных интенсификаторов для турбулентных режимов течения. Влияние положения выступов относительно потока на эффекты интенсификации теплоотдачи Фундаментальное изучение труб с кольцевыми поперечными выступами при турбулентном и переходном течении теплоносителя выполнено авторами [1], в трудах В.К.Мигая [7], в некоторой мере оно продолжено в работе [3].

Оказалось, что эффект ИТО достигает уровня 0 2,5 [1], подобная высокая интенсивность теплоотдачи получена в опытах и на прямоугольных каналах с поперечными выступами на двух противоположных стенках [8-10]. Явление ИТО в каналах (и трубах) с поперечными выступами объясняется последствия ми отрывного обтекания выступов: обновлением и турбулизацией погранично го слоя за каждым выступом [1,3,4,7].

Экспериментально и теоретически подтверждено значительное снижение солеотложений из потока воды снаружи и внутри труб с накатанными высту пами. В опытах получена существенная интенсификация теплоотдачи снаружи труб при поперечном обтекании трубного пучка однофазным потоком.

Теплогидравлические свойства труб и других каналов со спиральными выступами изучены недостаточно. Интересно обсудить их более подробно. Для труб со спирально накатанными выступами на внутренней поверхности выпол нен определённый теоретический анализ процессов течения и теплообмена в трубе, проведены довольно обширные опытные исследования, осуществлены промышленные испытания. Разработаны и проводятся промышленные образцы такого оборудования. Например, ЛМЗ изготовил конденсатор со спирально на катанными трубами 200 КЦС – 2 для паровой турбины мощностью 200 МВт.

В трубах со спиральными низкими выступами (или с внутренними низ кими спиральными ребрами) интенсификация теплообмена обусловлена соаме стным проявлением двух факторов: турбулизацией и разрушением пристенного слоя течения выступами и закруткой пристенного потока под действием высту пов (или рёбер) [7]. Интенсифицирующее воздействие частичной закрутки те чения (только пристенной зоны) низким выступом (или ребром) реализуется через увеличение пристенной скорости потока [7]. Этот способ, вероятно, сле дует отнести к комбинированным способам интенсификации теплообмена, так как одновременно воздействуют на поток турбулизация и закрутка.

Геометрические параметры трубы со спиральными выступами включают:

внутренний диаметр по гладкой поверхности D ;

высоту выступа h ;

число за ходов спирали n ;

расстояние (шаг) между соседними выступами вдоль трубы t ;

шаг спирали S1 = nt ;

угол между осью трубы и продольной осью выступа (угол атаки), при этом tg = D S1 ;

форму выступа. Определяющее влияние на гидросопротивление и теплообмен имеют относительные высота и шаг вы ступов h D и t h. Форма поперечного сечения выступа изменяет гидросопро тивление и очень мало влияет на теплообмен [7]. Природа теплоносителя ока зывает влияние на структуру потока в трубе. Визуализация течения и измере Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования ния профиля скоростей в потоках воды и воздуха показали, что поток воды за кручивается существенно, а воздуха – слабо. Профили скоростей для воды и воздуха отличаются между собой. Очевидно, различия в динамике течения и неодинаковая теплопроводность вязкого подслоя приводят к зависимости теп лообмена от вида теплоносителя. Влияние высоты спирального выступа на теп лообмен и трение аналогично воздействию поперечного кольцевого выступа.

По мере приближения угла к величине 2 влияние спирального выступа на поток в трубе сводится к действию поперечных кольцевых выступов (закрутка в потоке исчезает). Соответственно новым исследованиям интенсификации те плообмена в различных каналах (круглых и прямоугольных трубах) посредст вом спиральных выступов в научно-технической литературе сделан следующий вывод: при углах атаки 2 выступ обладает лучшими характеристиками, чем при = 2 (Важно заметить, что все соображения, цитируемые по из вестной литературе, о превосходстве качества выступов при 90 по сравне нию с поперечными выступами - = 90 справедливы только в случае h D ;

t h = idem для тех и других выступов). Оказалось: для плоского канала макси мальный прирост коэффициента теплоотдачи на единицу увеличения коэффи циента сопротивления достигается при = 45 ( t h = 10);

в кольцевом канале с проволочной навивкой – максимум увеличения коэффициента теплоотдачи, приходящийся на единицу мощности прокачки, будет при = 33 ( t h = 8);

в круглой трубе наиболее высокая эффективность ( Nu ) получается при = 50–60 ( t h = 10–15);

в квадратном канале с выступами на двух стенках – при = 45–30 тепловая эффективность на 10–12% выше, а мощность прокач ки на 20–50% ниже, чем при = 90 [5,11,12].

Экспериментальное исследование теплообмена в трубах со спиральными выступами выполнено в работах [7,13-15], аналитическое изучение – в [3,4],.

Опытным путём показано, что при возрастании числа Re потока эффект интен сификации снижается;

в некотором диапазоне размеров выступа возможно уменьшение коэффициента теплоотдачи шероховатой трубы по сравнению с гладкой, объясняющееся подавлением закруткой пристенной турбулентности потока, создаваемой выступами, а также возникновением застойных циркуля ционных зон между высокими выступами. Интенсификация теплообмена в та ких трубах связана с закруткой потока выступами и влиянием отрывных тече ний около них, поэтому очевидна сильная зависимость процесса интенсифика ции от величины угла. При малых углах существенная закрутка потока подавляет турбулентность от выступов и снижает её влияние на течение, при больших закрутка потока мала, при этом возрастает воздействие на поток от рывного течения за выступом и турбулентных возмущений, сопровождающих отрыв.

Опытные формулы для расчёта гидросопротивления в рассматриваемых трубах представлены в работах [13,14,16], аналитический расчёт – в [3,4]. В за Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования висимости от числа Рейнольдса в опытах наблюдались области изменения ко эффициента сопротивления трубы или его постоянства (автомодельности отно сительно числа Re ), что иногда не связывалось однозначно с геометрией шеро ховатости.

Сравнение положительных эффектов ИТО от применения в теплообмен ном оборудовании труб с накатанными спиральными или поперечными кольце выми выступами показывает следующее. Увеличение теплоотдачи при наличии спиральных выступов в трубе составляет 20–45% по сравнению с гладкой тру бой (при одинаковом гидросопротивлении) [7,15], т.е. предельная интенсифи кация теплообмена практически одинакова со случаем трубы с поперечными кольцевыми выступами.

При поперечном обтекании пучков спирально накатанных труб эффек тивность теплообмена возрастает приблизительно на 10%, а теплоотдача при конденсации водяного пара повышается на 10–70% по сравнению с гладкими трубами (из-за стягивания плёнки конденсата в канавки).

Примерно одинаковыми свойствами в условиях конденсации обладают трубы с поперечной накаткой.

По тепловой эффективности, при теплообмене в канале, трубы с низкими внутренними спиральными рёбрами и трубы со спиральной накаткой являются конкурирующими вариантами, однако спиральная накатка более предпочти тельна, так как трубы с рёбрами имеют большую металлоёмкость.

Спиральные выступы в трубе возможно образовать посредством установ ки в них пружинных вставок из проволоки. При малых шагах проволочной спирали может нарушаться тепловой контакт выступа (проволоки) с поверхно сти трубы, поэтому эффект увеличения поверхности теплообмена за счёт вы ступов может существенно падать по сравнению с его проявлением при спи ральной накатке. Этот недостаток снижает тепловую эффективность пружин ных вставок при малых шагах относительно накатанных спиральных выступов.

При достаточно больших шагах влияние указанного фактора незначительно. В случае гидропотерь, одинаковых с гладкой трубой, трубы с пружинными встав ками обеспечивают увеличение теплосъёма до 40% [7]. Экспериментальное ис следование [14] показало, что при прочих равных условиях с гладкими трубами использование пружинных вставок позволяет уменьшить поверхность тепло обмена на 50–60%. Максимум коэффициента эффективности проволочного вы ступа достигается при = 50–60, оптимальный угол мало зависит от числа Pr теплоносителя. Применение вставок увеличивает стоимость трубного пучка на 15% и более. В работе [14] приведены расчётные формулы для теплообмена и трения в трубах со вставками, основанные на опытных величинах функций шероховатости для переноса тепла и импульса.

Сопротивление и теплоотдача рассмотренных труб со вставками исследо ваны и в работе [7].

Пружинные вставки способны интенсифицировать процессы массообме на на поверхности жидких плёнок, стекающих по стенке круглого канала. В вертикальной трубе со стоком плёнки воды по стенке пружинная вставка, уста Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования новленная соосно около поверхности плёнки (вне воды), увеличивает коэффи циент массообмена на поверхности плёнки на 38%.

В отличие от труб со спиральными выступами, течение в прямоугольных каналах со скошенными выступами на двух противоположных стенках (охлаж дающие каналы лопаток турбин) возможно не является вполне осесимметрич ным. Выступы инициируют поперечное движение среды, направленное к одной боковой (гладкой) стенке, которое должно привести к замкнутому циркуляци онному макровихревому течению в поперечном сечении канала. Вероятно, под влиянием поперечной циркуляции среды и возмущающего влияния отрывного обтекания выступов интенсивность теплоотдачи на боковых стенках увеличи вается на 30–80% по сравнению с гладкостенным каналом. Теплоотдача в кана ле при 90 выше, чем в случае = 90 [11]. Весьма важно подчеркнуть, что при турбулентном потоке в квадратном канале со скошенными выступами на двух противоположных стенках (ККСВ) все теплогидродинамические показа тели St ;

;

(при оптимальных углах атаки) – лучше, чем при поперечных вы ступах - = 90 (при h D ;

t h = idem для = 90 и 90). Теплоотдача и со противление в ККСВ изменяются по криволинейным зависимостям с максиму мом [5,11,12] при вариациях угла атаки в интервале = 0–90. Максимум зна чений St и соответствует углам = 60–75. Сопротивление ККСВ ( Re = 105) характеризуется следующими коэффициентами при некоторых опорных ве личинах : 45 90 ;

60 75 90 1,5;

коэффициент 30 примерно на 20-40% меньше, чем 90 (индексы – значение угла ). Соответствующие числа St :

St 45 75 St 90 1,25;

величина St 30 приблизительно на 5-10% превышает число St 90. Уменьшение угла в области 60 вызывает снижение уровня тепло отдачи и сопротивления (при любых Re ), при этом относительное уменьшение коэффициента больше, чем относительное падение числа St, поэтому опти мальные теплообменные показатели ККСВ соответствуют углам = 45–30.

Действительно, значение коэффициента коэффициетна 30 на 30–50% больше, чем 90. Интересно заметить: в интервале = 15–90 коэффициент изменяет ся в 5 раз, а доля изменения числа St составляет лишь 1/6. Как и для попереч ных выступов, эффект ИТО для скошенных выступов снижается при возраста нии числа Re.

Следовательно, теплогидродинамическое качество ( или E ) скошенных выступов в ККСВ улучшается по сравнению с поперечными выступами ( = 90).

Теплогидравлическое качество скошенных (и поперечных) выступов в каналах типа ККСВ заметно улучшается, если каждый выступ разрезать (попе рёк продольной оси выступа) на отдельные короткие выступы таким образом, чтобы система скошенных выступов трансформировалась в упорядоченный на бор шахматно расположенных коротких скошенных выступов. В потоке, обте кающем такие разрезные выступы (РВ), возникают дополнительные отрывные Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования течения в местах разреза выступов, которые повышают уровень возмущений (турбулентность) в пристенной зоне течения и содействуют дополнительной интенсификации теплообмена [5]. Теплоотдача стенок с выступами в канале с РВ (КРВ) выше, чем в ККСВ, например, при = 45 превышение составляет 14–31%. (Теплоотдача гладких стенок в КРВ ниже, чем в ККСВ). По сравнению с ККСВ гидропотери в КРВ меньше. Соответственно, коэффициенты в КРВ возрастают относительно уровня их значений в ККСВ [5]. Максимальная теп ловая эффективность КРВ отмечена при = 30 (45).

Интенсификацию теплообмена в трубах, кольцевых каналах в продольно и поперечно смываемых пучках труб возможно осуществить посредством соз дания на поверхности теплообмена поперечных кольцевых или спиральных ка навок [1]. Наиболее просто канавки наносятся на наружную поверхность путём накатки, в канале канавки возможно получить электрохимической обработкой.

В турбулентном потоке углубления на поверхности называют срывы по тока, в канавках образуются устойчивые вихри. Турбулентные пульсации, ге нерируемые срывами и вихрями в пристенном потоке увеличивают гидросо противление и теплоотдачу на стенке. Некоторый вклад в увеличение теплооб мена вносит наращивание теплообменной поверхности за счёт канавок. Тепло отдача и гидросопротивление труб с поперечными канавками нарастают при увеличении глубины и уменьшении шага канавок. При возрастании Re увели чивается естественный уровень турбулентности в потоке и уменьшается тол щина вязкого подслоя, соответственно дополнительная турбулизация пристен ной зоны за счёт канавок мало содействует росту теплообмена ( Nu Nu 0 стаби лизируется) и значительно – увеличению потерь давления в потоке [1]. Посред ством поперечных кольцевых канавок в тесных продольно обтекаемых пучках труб и в кольцевых каналах достигается увеличение теплоотдачи до 50% по сравнению с гладкой поверхностью при примерно одинаковом росте гидропо терь.

Для обеспечения оптимального режима интенсификации теплообмена в трубах и в межтрубном потоке посредством накатки поперечных канавок реко мендуется выдерживать глубину канавок в пределах h d H = 0,02-0,035 ( d H – наружный диаметр трубы). Метод расчёт труб с поперечными канавками пред ставлен в [4].

Интенсификация теплообмена, сопровождаемая повышением гидросо противления в трубах со спиральными канавками, связана с закруткой потока и вихреобразованием в канавках.

Коэффициент сопротивления трубы со спиральными канавками примерно на 11% выше, что в трубе с пружинными вставками. Теплообмен и трение труб со спиральными канавками приближённо на 8% превышают показатели труб с ленточными завихрителями. Теплогидравлические свойства труб со спираль ными канавками весьма близки к характеристикам труб со спиральными вы ступами.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Штампованные сферические выемки и выступы в качестве ИТ известны довольно давно. В последние 20 лет к выемкам привлечено почти всеобщее оживлённое внимание [17].

7.4. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи при турбулентном режиме течения в каналах энергоустановок Сравнение ИТ проведено для нестеснённых каналов ( H D 0,7, H - попе речный размер канала). Конкретные ИТ, форма сечения канала, литературные источники, по которым рассчитывались теплогидравлические свойства каналов с ИТ, диапазон расчёта (совпадающий с диапазоном опытных исследований) представлены в табл.7.1. Для повышения точности результатов вычислений расчёты труб с поперечными кольцевыми выступами выполнены по опытным табличным данным [1]. Все каналы рассчитывались при одинаковых условиях:

теплоноситель – воздух, температурный напор “газ-стенка” - 150С, определяю щий параметр температура потока. Универсальная высота выступов (и глубина СВ) определялась по формуле [3,4] 2h h+ = Re 8.

DЭ Основные результаты расчётов по сопоставлению ИТ представлены в табл.7.2 и на рис.7.1, 7.2, 7.3 (номера линий на рисунках и в таблицах совпада ют).

Таблица 7.1.

Границы области сравнения интенсификаторов № ИТ, тип канала, литература Диапазон расчета 1 гладкий канал (круглая труба) Re =4000- 2 кольцевые поперечные выступы, Re =10000-400000, t h =4-100;

труба, [1] h D =0,01-0, 3 спиральные выступы, труба, Re =50000-300000, t h =10-15;

[15,16] h D =0,035-0, 4 выступы скошенные, неразрез- Re =10000-80000, t h =10;

ные, квадратный канал, [5] h D =0,0625;

= 5 выступы скошенные, разрезные, Re =10000-80000, t h =10;

квадратный канал, [5] h D =0,0625;

= 6 сферические выступы, прямо- Re =4000-20000, t h =5,7-28,6;

угольный канал, [18,19] h d =0, Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Таблица 7.1 (продолжение) № ИТ, тип канала, литература Диапазон расчета 7 сферические выступы, прямо- Re =10000-1000000, t h =4-16;

угольный канал, [19,20] h d =0, 8 сферические выступы и выемки, Re =10000-100000, t h =1,6-5, труба, [21] 9 мелкие сферические выступы, Re =7000- труба [22] 10 мелкие сферические выемки, Re =7000- труба, [22] 11 крупные сферические выемки, Re =7000- труба, [22] 12 сферические выемки, прямо- Re =4000-100000, H d =0,66-1,0;

угольный канал, [17] h d =0,13;

f =13-70% 13 сферические выемки, труба, [23] Re =4000-100000, t h =1,1-2,2;

h d =0, 14 Сферические выступы, прямо- Re = 4000 – 33000;

угольный канал, [авторы], H d =0,2-2,33;

h d =0,14-0,5.

воздух 15 Сферические выемки, Re = 4000 – 33000;

прямоугольный канал, [авторы], H d =0,2-2,33;

h d =0,14-0,5.

воздух Таблица 7. Эффективность и оптимальные размеры интенсификаторов теплообмена Оптималь- (E/E ) max Nu/Nu 0 0 h+ № Интен- Re сификатор, ные пара форма се- метры ин чения кана- тенсифи ла, литера- каторов тура 2 кольцевые 10000 t/h =50;

1,26 1,57 1,25 поперечные h/D =0, 20000 1,19 1,55 1,30 выступы, 40000 t/h =100;

1,12 1,30 1,16 труба, [1] h/D =0, 100000 1,05 1,34 1,27 200000 1,09 1,40 1,28 400000 t/h =50;

1,17 1,61 1,38 h/D =0, Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Таблица 7.2 (продолжение) Оптималь- (E/E ) max Nu/Nu 0 0 h+ № Интен- Re сификатор, ные пара форма се- метры ин чения кана- тенсифи ла, литера- каторов тура 3 спиральные 50000 t/h =15;

0,69 1,73 2,49 выступы, h/D =0, 100000 0,58 1,73 2,96 труба, 150000 0,53 1,73 3,28 [15,16] 200000 0,49 1,73 3,52 250000 0,46 1,73 3,73 300000 0,44 1,73 3,99 4 выступы 10000 t/h =10;

0,55 2,60 4,72 скошенные, h/D = 20000 0,47 2,39 5,12 неразрез- 0,0625;

30000 0,42 2,27 5,37 = ные, квад- 40000 0,39 2,17 5,55 ратный ка- 50000 0,37 2,11 5,69 нал, [5] 60000 0,35 2,05 5,81 70000 0,34 2,01 5,91 80000 0,33 1,97 6,00 5 выступы 10000 t/h =10;

0,59 2,61 4,43 скошенные, h/D = 20000 0,53 2,53 4,80 разрезные, 0,0625;

30000 0,49 2,48 5,03 = квадратный 40000 0,47 2,44 5,20 канал, [5] 50000 0,45 2,41 5,33 60000 0,44 2,38 5,44 70000 0,43 2,36 5,53 80000 0,42 2,34 5,62 6 сфериче- 4000 t/h =17;

0,72 1,51 1,35 ские высту- h/d =0,5, 6000 0,80 1,77 2,20 пы, прямо- h/D =0, 8000 0,88 1,77 2,04 угольный 10000 0,90 1,77 1,96 канал, 12000 0,94 1,77 1,88 [18,19] 14000 0,98 1,77 1,80 16000 0,99 1,77 1,72 18000 1,01 1,77 1,68 20000 1,02 1,77 1,64 Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Таблица 7.2 (продолжение) Оптималь- (E/E ) max Nu/Nu 0 0 h+ № Интен- Re сификатор, ные пара форма се- метры ин чения кана- тенсифи ла, литера- каторов тура 7 сфериче- 10000 t/h =16;

1,84 1,86 1,01 ские высту- h/d =0,5, пы, прямо- h/D = 100000 1,63 1,86 1,12 угольный 0, канал, 1000000 1,03 1,86 1,76 [19,20] 8 сфериче- 10000 t/h =2,8, 0,95 2,19 2,31 ские высту- h/D =0, 30000 0,95 2,19 2,31 пы и выем- 50000 0,95 2,19 2,31 ки, труба, 70000 0,95 2,19 2,31 [21] 100000 0,95 2,19 2,31 9 мелкие 7000 - 0,93 1,18 1,28 сфериче- 10000 0,90 1,22 1,35 ские высту- 15000 0,77 1,17 1,51 пы, труба 20000 0,78 1,32 1,68 [22] 10 мелкие 7000 - 1,04 1,08 1,04 сфериче- 10000 1,04 1,09 1,05 ские выем- 15000 1,03 1,13 1,10 ки, труба, 20000 1,01 1,16 1,15 [22] 11 крупные 7000 - 0,93 1,13 1,21 сфериче- 10000 0,91 1,18 1,3 ские выем- 15000 0,83 1,25 1,5 ки, труба, 20000 0,8 1,32 1,65 [22] 12 сфериче- 20000 h/d =0,13;

0,99 1,15 1,16 ские выем- 30000 0,95 1,15 1,21 f =13%, ки, прямо- 40000 0,99 1,15 1,16 h/D =0, угольный 70000 0,93 1,15 1,23 канал, [17] 100000 0,97 1,15 1,18 Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Таблица 7.2 (продолжение) Оптималь- (E/E ) max Nu/Nu 0 0 h+ № Интен- Re сификатор, ные пара форма се- метры ин чения кана- тенсифи ла, литера- каторов тура 13 сфериче- 10000 t/h =1,1;

0,94 0,95 1,01 ские выем- h/d =0,1, 19000 1,18 1,21 1,02 ки, труба, h/D = 25000 1,13 1,22 1,08 [23] 0, 40000 1,19 1,30 1,10 50000 1,28 1,40 1,09 66000 1,29 1,43 1,11 h d = 0, 14 Сфериче- 4000 0,760 1,581 2, h H = 0, ские 10000 0,748 1,543 2, выступы, 15000 0,701 1,513 2, H d = 1, прямо- 20000 0,686 1,491 2, угольный 25000 0,675 1,472 2, канал, [ав- 30000 0,674 1,454 2, тор], воздух h d = 0, 15 Сфериче- 4000 0,9364 1,000 1, h H = 0, ские 10000 1,0228 1,103 1, H d = 2, выемки, 15000 1,0446 1,119 1, прямо- 20000 1,059 1,131 1, угольный 25000 1,067 1,131 1, канал, [ав- 30000 1,0762 1,138 1, тор], воздух Наглядное, объективное сравнение эффективности рассматриваемых ИТ, показанное на рис.7.1, позволяет утверждать, что получена новая информация, которая весьма необходима для развития теории ИТО и целенаправленного применения различных ИТ в технике.

Разумно несколько отложить обсуждение качеств мелких (низких) СВП, линия 7, рис.7.1, т.к. опытные данные, использованные для построения линии 7, могут вызывать некоторые сомнения. Все остальные графики на рис.7.1 осно вываются на экспериментальных сведениях, не связанных с каким-либо непри ятием.

Наибольшая эффективность свойственна низким кольцевым поперечным выступам в трубе, линия 2, рис.7.1. Этот тип ИТ изучен наиболее основательно [1,3,4,7-10] по сравнению с другими ИТ. При оптимальных размерах выступов основные показатели их совершенства соответствуют следующим предельным Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования значениям (табл.7.2): Emax = 1,26 ;

Nu Nu 0 = 1,61 ;

0 = 1,38 ;

h + = 392 ;

во всём диапазоне чисел Re оптимальные выступы обеспечивают Nu Nu 0 0 и приемлемые значения h + [1,3,4]. С практической точки зрения весьма отрадно отметить, что оптимальные шаги выступов достаточно большие t h = 50 100, табл.7.2, а высота их мала h D = 0,01 0,02. Это обстоятельство благоприятно по соображениям технологии и стоимости накатки выступов и сохранению прочности исходной гладкой трубы при малой деформации её стенки за счёт выступов. Обсуждая эффективность поперечных выступов, уместно напомнить, что свойства этих выступов возможно улучшить в случае применения «широ ких» выступов, предложенных в [24].

Рис.7.1. Сравнение эффективности различных поверхностных интенсификато ров теплоотдачи при их оптимальных геометрических параметрах. Обозначе ния в табл.7.2.

Анализ имеющейся в литературе информации по проблеме ИТО приво дит к убеждению: при учёте эффективности технологии нанесения ИТ и её стоимости, прочности канала и некоторых других причин поперечные выступы остаются наиболее перспективным ИТ. Оптимальные размеры выступов и дру гим ИТ по отдельным областям чисел Re даны в таблице 7.2.

Лишь в очень узком интервале чисел Re качество мелких СВ оказывается выше (линия 13, рис.7.1), чем 7 поперечных выступов (линия 2). Величина h + (возможно, не в полной мере строгая для СВ), табл.7.2, для мелких СВ уклады вается внутри рекомендованной для ИТО области. Мелкие СВ характеризуются примерно одинаковым увеличением теплоотдачи и сопротивления канала Nu Nu 0 0 (табл.7.2), только опытной линии 13, рис.7.1 сопутствует нера Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования венство Nu Nu 0 0. Почти во всём технически интересном диапазоне чисел Re поперечные выступы гарантируют в канале более высокую интенсивность теплоотдачи (линия 2, рис.7.2), чем СВ (линии 13,11,10,12). Сопротивление ка налов с поперечными выступами (линия 2, рис.7.3) мало отличается от каналов с мелкими СВ (линии 10,12, 13, рис.7.3).

Рис.7.2. Сравнение интенсивности теплоотдачи в каналах с различными по верхностными интенсификаторами при их оптимальных геометрических пара метрах. Обозначения см. табл. 7.2.

Рис.7.3. Сравнение гидравлического сопротивления каналов с различными по верхностными интенсификаторами теплоотдачи при их оптимальных геомет рических параметрах. Обозначения в табл.7.2.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Следует отметить, что опытные данные для мелких СВ, соответствующие линиям 10, 12, рис.7.1, 7.2 и 7.3, хорошо согласуются между собой;

опытные результаты по теплоотдаче, линия 13, рис.7.2, существенно отличаются от дру гих опытных зависимостей. Вполне очевидно: иногда глубокие СВ, линия 11, рис.7.2, позволяют получить в канале несколько более высокий уровень тепло отдачи, чем мелкие СВ (линии 10,12,13), однако сопротивление каналов с глу бокими СВ велико (линия 11, рис.7.3), поэтому эффективность глубоких СВ (линия 11, рис.7.1) ниже, чем у мелких СВ. Крупные СВ, табл.7.2, заметно больше наращивают сопротивление канала по сравнению с теплоотдачей.

Достаточно неожиданно оказалось. что эффективность давно известного ИТ - СВП, даже для крупных (высоких) СВП: h d = 0,5 ;

h D = 0,43 (табл.7.1 и 7.2), приближается (и частично совпадает) к эффективности мелких СВ (линии 6,9, рис.7.1). Теплоотдача и сопротивление крупных выступов, линии 6, рис.6,3, выше, чем у мелких СВП, линии 9. В значительном интервале чисел Re пара метр h + для СВП, табл.7.2, в 2-3 раза превышает целесообразную величину h + 200 [1].

Практическое совпадение линий 9,11, рис.7.1, 7.2 и 7.3, подтверждает опытный вывод Вигхардта относительно одинакового воздействия выемок и выступов на поток, омывающий стенку.

Высокая эффективность СВ и СВП вызвала необходимость проведения новых опытных исследований эффективности сферических выемок и выступов в широком интервале чисел Re = 4000 30000 и размеров таких интенсифика торов. При этом изучен и почти неисследованный диапазон Re = 4000 7000.

Опытные результаты настоящей работы для сферических выемок вполне удовлетворительно согласуются по теплообмену, сопротивлению и эффектив ности с известными данными (см. рис.7.1.7.3). Результаты авторов для сфери ческих выступов существенно отличаются от опубликованных данных других авторов. В определенной мере это различие можно объяснить тем, что для ли нии 6 расчеты теплоотдачи и сопротивления выполнялись по приближенным формулам различных исследователей.

Сопоставление расположения на рис.7.1 линии 2, соответствующей коль цевым поперечным выступам, и линии 15 (и 10) показывает, что эффективность исследованных выемок значительно ниже, чем поперечных выступов. Действи тельно, в области Re = 10000 30000 эффективность поперечных выступов дос тигает значения Emax = 1,26, аналогичный параметр для выемок не превышает величину E = 1,076. Можно заметить, что с принципиальной (качественной) точки зрения выемки «работают» достаточно экономно: увеличение теплоотда чи по сравнению с гладкой трубой одинаково или опережает нарастание сопро тивления, однако количественный эффект интенсификации относительно скро мен Nu Nu 0 = 1 1,138 и существенно уступает поперечным выступам. Это за ключение важно для прикладных разработок систем охлаждения лопаток тур бин.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Относительно сферических выступовследует, что изученные в данной ра боте сферические выступы значительно менее эффективны, чем выемки. При Re = 30000 эффективность выемок в 1,6 раза выше, чем выступов.

Рекомендуемые в настоящей работе оптимальные для интенсификации турбулентной теплоотдачи размеры выемок - для целесообразной интенсифи кации необходимо использовать мелкие выемки.

Наиболее вероятно, что картина обтекания выемки размером h d = 0, соответствует схеме течения без присоединения потока к дну выемки. К сожа лению, пока остаются неисследованными мелкие выемки глубиной h 0 = 0,05 0,1, обтекание которых происходит с присоединением потока на дне выемки. В этом случае возможно ожидать более значительных эффектов интен сификации.

Не менее удивительны высокие эффективность и интенсивность теплоот дачи Nu Nu 0 2,2 для труб, поверхность которых покрыта крупными h D = 0,25, плотно расположенными, чередующимися СВ и СВП, линии 8, рис.7.1–7.2. Диапазон изменения универсального размера h + для ИТ в этих трубах, составляющий h + = 478 3588 (табл.7.2) по мере роста числа Re, убе дительно свидетельствует, что наращивание параметра h +, т.е. увеличение раз меров ИТ сверх рекомендуемых, не приносит выигрыш в эффективности и теп лоотдаче канала, ситуация становится автомодельной. Однако возможность одинаковой эффективности каналов с крупными (линия 8, рис.7.1) и мелкими ИТ (линия 12) весьма показательна. Можно обратить внимание (линии 8,11, рис.7.1 и 7.2) на следующее обстоятельство: поверхность, формованная «сме сью» крупных СВ и СВП, имеет более высокую интенсивность теплоотдачи и эффективность, чем стенка, покрытая глубокими СВ.

Анализ проведённых расчётов по выяснению теплогидравлических ка честв труб со спиральными выступами показывает, что эффективность органи зации процессов переноса в потоках внутри этих труб в литературе значительно завышается. Объективные показатели труб со спирально накатанными высту пами (линии 3, рис.7.1, 7.2 и 7.3, табл.7.2), соотнесённые со свойствами труб с поперечными выступами, следующие. Эффективность E спиральных высту пов примерно в 2 раза ниже, максимальные значения Nu Nu 0 почти одинако вы, а относительное сопротивление 0 в 2-3 раза выше, чем у поперечных выступов. Поэтому при относительно малой высоте выступа h D = 0,04 для чи сел Re 105 параметр h + в 3-10 раз превышает разумный предел. Пониженная эффективность и повышенное сопротивление спиральных выступов объясняет ся тем, что при одинаковом с поперечными выступами осевом числе Re в кана ле со спиральными выступами необходимо затратить значительную дополни тельную мощность на закрутку потока.

В инженерной практике при необходимости ИТО и достижения высоких коэффициентов теплоотдачи каналу со спиральными выступами следует пред почесть трубу, формованную совокупностью СВ и СВП, линии 8, рис.7.1, 7.2 и Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования 7.3, которая обеспечит большее значение Nu Nu 0, меньшую величину 0 и, соответственно, существенно больший коэффициент E.

В американской литературе [5,11,12] активно пропагандируются досто инства каналов с выступами, расположенными под углом атаки к потоку = 900. Такие каналы, типа ККСВ и КРВ, рекомендуются, в частности, в каче стве охлаждающих каналов лопаток турбин. расчётное сопоставление эффек тивности этих каналов с каналами, имеющими другие ИТ, показало, что каналы типа ККСВ и КРВ имеют самую низкую эффективность по сравнению со всеми остальными рассмотренными интенсифицированными каналами (линии 4,5, рис. 7.1). Скошенные выступы в квадратном канале позволяют получить наибо лее высокие коэффициенты теплоотдачи (линии 4,5, рис.7.2), однако достига ются они ценой максимального сопротивления (линии 4,5 рис.7.3), приводяще го к минимальным величинам E. Повышенное сопротивление ККСВ и КРВ (при 30 90) по сравнению с прямоугольными каналами и круглыми тру бами с поперечными выступами ( = 90), а также с круглыми трубами со спи ральными выступами, вероятно следует связывать с интенсивным поперечным смещением выступами пристенной части потока и ударным натеканием её на боковую стенку канала. Возмущения течения, сопровождающие эти события, являются причиной больших гидропотерь. В круглой трубе со спиральными выступами (линия 3, рис.7.3), с более упорядоченным осесимметричным тече нием потери давления существенно меньше, чем в ККСВ и КРВ (рис.7.3). Не обходимо заметить, что низкая эффективность ККСВ и КРВ наблюдается при вполне умеренной высоте выступов h D = 0,0625 для потока газа.

Вместо ККСВ и КРВ охлаждающие каналы лопаток турбин более рацио нально следует изготавливать в форме круглых каналов со спиральными вы ступами или со «смесью» СВ и СВП.

Возвращаясь к обсуждению эффективности СВП, линии 7, рис.7.1, 7.2 и 7.3, для объективной оценки свойств этих ИТ необходимо напомнить, что опытные данные Г.Шлихтинга по сопротивлению поверхностей с СВП подвер гались критике в работе [25] и в некоторых других трудах. При расчётах пока зателя E использовались исправленные данные Г.Шлихтинга по коэффициен там, которые приведены в [20]. Сопоставление сопротивления мелких СВП (линия 7, рис.7.3, табл.7.2) с мелкими СВ (Линии 10,12,13) и низкими попереч ными выступами (линия 2) показывает, что относительные коэффициенты (табл. 7.2) для этих ИТ в интервале Re = 10 4 105 близки между собой и незна чительно превышают число 1, что не является невозможным в соответствии с известными экспериментальными результатами для интенсифицированных ка налов. Можно указать на заметное отклонение линий 7 и 9 на рис.7.3, однако высота «мелких» СВП, соответствующая линии 9, к сожалению, не указана ав торами [22]. Разница в размерах и шагах СВП может быть причиной этого от клонения Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Возможность значительной ИТО с помощью СВП (линия 7, рис.7.2) под тверждается современными опытными исследованиями [26]: в турбулентном потоке воздуха шахматно расположенные полусферические выступы d = 1,27 мм с шагом t h = 8 повышали уровень теплоотдачи до Nu Nu 0 = 1,4.

Согласно рис.7.1, линия 7, мелкие СВП являются наиболее эффективным ИТ во всем технически интересном исследованном диапазоне чисел Re по сравнению с остальными ИТ. Высокое качество СВП желательно дополнительно обосно вать новыми экспериментальными исследованиями процессов переноса в кана лах с СВП.

Согласно обзору литературы и настоящему анализу, можно предполагать, что конические выступы могут оказаться максимально эффективными ИТ, в том числе и по отношению к СВП, однако это требует опытной проверки.

В стеснённых каналах (прямоугольных, кольцевых) с любыми из рас смотренных ИТ на одной стенке в соответствии с опытными данными для СВ [23] и поперечных выступов (Итимия) следует ожидать примерно одинакового возрастания теплоотдачи на противоположной гладкой стенке и увеличения общего сопротивления и теплоотдачи канала, характерного для данного типа ИТ.

7.5. Эффективные интенсификаторы теплоотдачи для ламинарных потоков в каналах энергоустановок В современных условиях и в перспективе один из главных путей повы шения экономичности энергоустановок – совершенствование теплообменного оборудования, реализовать которое можно с помощью внедрения эффективных способов интенсификации теплообмена [27].

Весьма важно, что стоимость производства рациональных интенсифика торов теплообмена на стенках каналов (труб) теплообменников невысока и со ставляет лишь несколько процентов от стоимости каналов [7,27–29].

Ламинарное (и переходное) течение реализуется в каналах теплообменно го оборудования во многих случаях: как при нерасчетных режимах работы (по ниженные расходы сред), так и на номинальных режимах эксплуатации различ ных устройств типа воздухоохладителей компрессорных установок и ГТУ;

воздухоподогревателей котлов и ГТУ;

систем водяного и воздушного охлажде ния масла на ТЭС и АЭС и др. [7,29].

Внимание к научным и техническим проблемам интенсификации тепло обмена при ламинарном течении сформировалось недавно, поэтому в литерату ре ощущается дефицит теоретических методов расчета и результатов экспери ментальных исследований теплообмена и сопротивления в каналах с интенси фикаторами теплообмена в обсуждаемых условиях течения. Эти обстоятельст ва, в известной степени, задерживают необходимое широкое использование ин тенсификации теплообмена в технике.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Эффективны для интенсификации теплообмена при ламинарном течении короткие каналы (повышенная теплоотдача во входном участке трубы) и пре рывистые поверхности, использующие эффект обновления пограничного слоя.

Высокий уровень теплоотдачи для ламинарного потока возможно достиг нуть с помощью выбора оптимального поперечного сечения канала [30]. Из вестно, что при течении газов и жидкостей (с малыми числами Pr ) в относи тельно длинных каналах ( Re Pr D L 10 или L D 100 ) теплоотдача стремит ся к некоторому постоянному уровню Nu = const ( D, L диаметр и длина ка нала;

Re ;

Pr ;

Nu числа подобия). Следовательно, при малых числах Re в длинных каналах число Nu не зависит от скорости потока. В этих условиях оп тимальная форма поперечного сечения канала (определяемая максимумом от ношения теплосъема к гидропотерям) полностью зависит от интенсивности те плообмена в канале, так как величину гидропотерь можно регулировать изме нением скорости потока при неизменном уровне теплообмена. Сопоставление различных каналов (прямоугольного, треугольного, круглого поперечного се чения) при одинаковых эквивалентных диаметрах показывает существенные преимущества прямоугольного канала по сравнению с остальными.

Оптимизация формы сечения гладкого канала при ламинарном режиме движения может позволить сократить поверхность теплообмена на 20% и более при одинаковом гидросопротивлении с гладким круглым каналом.

Каналы прямоугольного профиля используются в теплообменниках ГТУ и транспортных машин [31].

С целью упрощения технологии производства и повышения теплообмен ных качеств интенсифицированных труб применяются внутренние вставные ребра звездообразные вставки из высокотеплопроводного материала (сплав алюминия и др.), которыми заполняется труба. Вставки выполняются относи тельно короткими L D = 2030. Если соседние вставки поворачивать относи тельно друг друга на угол, равный половине угла между лучами звезды, то воз можное увеличение теплоотдачи на поверхности ребер за счет обновления по граничного слоя на них составит примерно 100%. Значительно больший эффект можно получить от вставок, обеспечивающих винтовую закрутку потока отно сительно оси трубы. В этом случае эффекты оребрения и закрутки объединяют ся.


За рубежом с целью интенсификации применяются витые трубы;

гофри рованные и рифленые поверхности;

трубы с внутренним спиральным и про дольным оребрением;

трубы, свернутые в спиральные змеевики;

трубы типа конфузор-диффузор.

Анализ литературы убеждает в том, что по теплогидравлическим, эконо мическим и технологическим соображениям для интенсификации теплоотдачи ламинарных потоков в каналах наиболее целесообразно использовать интенси фикаторы теплообмена, сформированные на стенке канала в виде: дискретных поперечных кольцевых или спиральных выступов (накатка), кольцевых или спиральных канавок (электрохимическая технология производства), спираль Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования ных проволочных вставок (пружины), сферических выступов или выемок [3,4,7,27,28,33,34].

При ламинарном (и в значительной степени переходном) режиме течения определяющий механизм переноса тепла поперек потока теплопроводность, поэтому интенсивность теплоотдачи относительно мала.

Следовательно, для экономии энергии и материалов при производстве и эксплуатации теплообменников интенсификация теплообмена при ламинарном (и переходном) режиме движения потока в каналах приобретает особое значе ние.

В отличие от турбулентного течения, в ламинарном (переходном) потоке в канале термическое сопротивление более равномерно распределено по всему поперечному сечению потока или охватывает значительную часть его, поэтому для интенсификации теплоотдачи необходимо возмущающее воздействие на обширную зону пристенного течения.

Указанного воздействие обеспечивается посредством применения искус ственной дискретной шероховатости стенки канала, выполненной накаткой спиральных выступов в трубе или установкой в ней пружинных (спиральных) проволочных вставок. Размер шероховатости (высота поперечных или спираль ных выступов и диаметр проволоки) существенно увеличивается по сравнению с интенсификаторами в турбулентном потоке.

Закрутка потока такими элементами шероховатости активизирует про цессы переноса поперек потока за счет центробежных сил. Некоторое дополни тельное возрастание теплообмена возникает из-за эффекта увеличения поверх ности при наличии интенсификаторов в трубе. Положительное влияние закрут ки на теплообмен в трубе связано и с возможностью более раннего перехода к турбулентному режиму под воздействием закрутки.

Интенсификация теплообмена поперечными кольцевыми выступами ос нована на возмущении пристенной зоны потока вихреобразованием при отрыв ном обтекании выступов и эффектами обновления пограничного слоя за каж дым выступом, кроме того, нарастание уровня теплообмена может быть связано с ускоренным переходом от ламинарного режима к турбулентному около ше роховатой стенки. В случае применения спиральных выступов (или вставок) в потоке одновременно существуют эффекты отрывного возмущения течения и воздействия закрутки. Некоторое возрастание теплообмена объясняется и уве личением общей поверхности канала при нанесении выступов на его стенку.

Механизм интенсификации теплоотдачи в случаях использования в каче стве интенсификаторов канавок, сферических выступов и выемок принципи ально идентичен влиянию кольцевых и спиральных выступов на поток [33].

Очевидно, что при любом режиме течения в трубе интенсификация теп лоотдачи приводит обязательно к росту гидросопротивления [33]. При этом в ламинарном (и в переходном) режиме существуют области выгодного соотно шения между увеличением теплообмена и возрастанием гидросопротивления, что и обеспечивает позитивное влияние интенсификаторов на технико экономические показатели энергооборудования.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования В настоящее время в литературе отсутствуют систематизированные со поставления эффективности промышленно перспективных типов интенсифика торов теплоотдачи в условиях ламинарных течений рабочих тел в каналах теп лосиловых установок. Соответственно отсутствуют рекомендации по выбору конкретного типа интенсификатора и его предпочтительных параметров.

(Сравнение некоторых отдельных частных вариантов интенсификаторов прове дено в работе [34]).

Для оценки эффективности каналов с интенсификаторами разумно ис пользовать относительную форму универсального критерия М.В.Кирпичева E = E E. Технология сравнения интенсификаторов и поиск их оптимальных гл геометрических параметров осуществлялись по вышеописанной методике. Ка нал с интенсификаторами, обладающий наилучшим (из ряда вариантов) тепло гидродинамическим качеством E = max, и интенсификаторы, обеспечившие это качество, являются наиболее эффективными (оптимальными).

Вычисление коэффициентов E (т.е. Q и N ) принципиально возможно посредством численного решения системы уравнений конвективного теплооб мена в канале. Можно использовать модель на основе внутренних пограничных слоев для отрывного ламинарного течения в каналах с интенсификаторами [36].

Для расчета отношения Q N полезно привлечь модифицированную аналогию Рейнольдса для отрывного обтекания интенсификаторов на стенке [37]. Однако для достижения максимальной надежности результатов сравнительной оценки эффективности интенсификаторов авторы воспользовались опытными уравне ниями подобия для расчета теплоотдачи и сопротивления интенсифицирован ных каналов. Уравнения приведены в литературных источниках, указанных в библиографии к данной работе.

Тип сравниваемых интенсификаторов и условия течения в каналах даны в табл.7.3.

Все расчеты для технического масла (свойства масла взяты в работе [41]) и воздуха проведены при температуре теплоносителя 300С и температуре стен ки канала 600С. Канал не стесненный [33]. При расчетах приняты следующие единые размеры канала длина L = 1 м, диаметр D = 0,02 м. Расчет для гладко го пустого круглого канала производился по уравнениям Мак-Адамса и Пуа ( ) зейля: Nu = 1,62(Re Pr D L )1 3 (µ f µ w )0,14 1 + 0,015Gr 1 3 ;

= 64 Re, (обозначе ния традиционные).

Основные результаты расчетов по сопоставлению интенсификаторов представлены на рис.7.47.6 и в табл.7.4 (номера линий графиков на рис.7.4–7. и в табл.7.3 и 7.4 совпадают). В таблицах обозначено: d диаметр горла вы ступа, диаметр сферической выемки или выступа;

угол между осью трубы и спиральным выступом;

H поперечный размер некруглого канала;

l шири на сечения выступа, h – глубина/высота выемки/выступа.

Табл.7.4 и рис.7.37.4 – новая информация, интересная для теории интен сификации теплообмена и необходимая для практического целесообразного Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования внедрения интенсификаторов в энергооборудование с целью улучшения его технико-экономических показателей.

Таблица 7. Ламинарный режим № Исследованные ин- Диапазон Параметры Длина и тенсификаторы, тип чисел интенсификаторов диаметр ка канала, Рейнольдса нала в рабо тип теплоносителя тах h D= 1 Гладкая круглая тру ба L = 2м h D = 0,0714 0, 2 Спиральная прово- D = 0,014 м лочная вставка, труба [38], трансформатор- t D = 0,714 4, ное масло d D = 0,8 0,92 L = 1,2 м 3 Поперечные высту- пы, труба [39], D = 0,018 м t D = 0,33 1, трансформаторное масло d D = 0,72 0,86 L = 1,2 м 4 Спиральные высту- пы, труба [40], D = 0,014 м t D = 0,72 4, трансформаторное масло = 32 76 0 L = 1,5 м 5 Спиральная прово- лочная вставка, труба h D = 0,079 0,119 D = 0,0252 м [41], масло для сер- t D = 0,397 2, вомеханизмов 2h D = 0,2 0,24 L = 1,0 м 6 Поперечные высту- пы, труба [3] D = 0,02 м t h = d D = 0,25 L = 1,0 м 7 Диафрагмы, труба [42], смесь трансфор- D = 0,025 м t D = 0, маторного и машин ного масел h D 0,05 L = 1,435 м 8 Поперечные высту- пы, труба [43], масло D = 0,0095 м t l = 0,5 мм w = 0,4 1,4 t D = 2,5 6, 9 Спиральная прово лочная вставка, труба м/с [44], трансформатор ное масло d D = 0,875 0,96 L = 2,3 м 10 Поперечные высту- пы, труба [45], масло D = 0,017 м t D = 0, Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Таблица 7.3 (продолжение) № Исследованные ин- Диапазон Параметры Длина и тенсификаторы, тип чисел интенсификаторов диаметр ка канала, Рейнольдса нала в рабо тип теплоносителя тах d D = 0,875 0, 11 Поперечные канавки, L = 2,3 м кольцевой канал [45], D l = 0,017 м t D = 0, масло D 2 = 0,034 м h d = 0,21 0,5 L = 0,19 м 12 Сферические высту- пы, плоский канал h H = 0,186 0, [авторы], воздух h d = 0,21 0,5 L = 0,19 м 13 Сферические выемки, плоский канал [авто- h H = 0,125 0, ры], воздух H d = 0,71 1, 14 Спиральная прово- лочная вставка, труба [46], масло Таблица 7. Эффективность и оптимальные размеры интенсификаторов теплоотдачи Оптимальные (E E )max Nu Nu гл гл № Интенсификатор, Re гл ли- форма сечения параметры ни канала, интенсифика й литература тора h D= 1 Гладкий канал 1 1 h D = 0, 2 Спиральная про- 100 0,83 1,58 1, волочная встав- 300 1,25 2,36 1, t D = 4, ка, труба [38], 400 1,07 2,63 2, трансформатор- 700 0,916 3,23 3, ное масло 1000 0,83 3,68 4, d D = 0, 3 Поперечные вы- 50 1,16 1,96 1, ступы, труба 200 1,92 3,37 1, t D = 0, [39], трансфор- 350 2,39 4,18 1, маторное масло 800 3,29 5,75 1, 1100 3,72 6,51 1, d D = 0,72 4 Спиральные вы- 100 1, ступы, труба 400 1,43 t D = 0, [40], трансфор- 1000 1,76 маторное масло Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Таблица 7.4 (продолжение) (E Eгл )max Nu Nu гл гл № Интенсификатор, Оптимальные Re ли- форма сечения параметры ни канала, интенсифика й литература тора h D = 0, 5 Спиральная про- 20 1,77 2,21 1, волочная встав- 100 1,31 1,64 1, = 76 ка, труба [41], 200 0,97 1,824 1, масло для серво- 300 0,715 1,34 1, механизмов 400 0,64 1,27 2, 1000 0,24 1,07 4, 2h D = 0,2 0,24 0, 6 Поперечные вы- 300 4,01 37, ступы, труба [3] 1900 0,0996 9,50 95, 2300 0,09 10,38 104, t h = d D = 0, 7 Диафрагмы, тру- 30 0,11 1,06 9, ба [42], смесь 100 0,0841 1,45 17, t D = 0, трансформатор- 200 0,0614 1,88 30, ного и машинно- 1000 0,0111 1,69 152, го масел 8 Поперечные вы- 600 1,51 1,20 0, ступы, труба 1400 1,56 2,90 1, [43], масло 2200 1,587 4,64 2, t D = 6, 9 Спиральная про- 170 0,987 1,54 1, волочная встав- 346 1,32 2,12 1, ка, труба [44], 520 1,247 2,31 1, трансформатор ное масло h D = 0, 10 Поперечные вы- 100 0,472 1,07 2, ступы, труба 500 1,284 2,10 1, t D = 0, [45], масло 700 1,481 2,59 1, 900 1,975 2,78 1, 1000 2,951 3,23 1, h D = 0, 11 Поперечные ка- 100 0,315 0,71 2, навки, кольцевой 500 0,915 1,5 1, t D = 0, канал [45], масло 700 0,916 1,6 1, 900 1,402 1,97 1, 1000 1,822 1,99 1, h d = 0, 12 Сферические вы- 400 0,276 1,459 5, ступы, плоский 1000 0,662 2,985 4, h H = 0, канал [автор], 1500 0,956 3,869 4, H d = 1, воздух 2000 1,062 4,945 4, Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Таблица 7.4 (продолжение) (E Eгл )max Nu Nu гл гл № Интенсификатор, Оптимальные Re ли- форма сечения параметры ни канала, интенсифика й литература тора h d = 0, 13 Сферические вы- 400 0,722 1,395 1, емки, плоский 1000 1,053 1,927 1, h H = 0, канал [автор], 1500 1,367 2,499 1, H d = 0, воздух 2000 1,667 3,004 1, 14 Спиральная про- 40 0,23 1,99 8, волочная встав- 80 0,24 2,08 8, ка, труба [46], 120 0,25 2,14 8, масло 140 0,254 2,17 8, 260 0,27 2,28 8, Обсудим эту информацию, подчеркнув, что сравнение интенсификаторов проведено, как и в работе [33], при следующих одинаковых для всех каналов условиях Re ;


L ;

D = idem, а следовательно для случаев F;

G ;

V = idem ( F площадь внутренней поверхности канала;

G ;

V массовый и объемный рас ходы теплоносителя через канал). Одновременно важно заметить: сопоставле ние выполнено только для экспериментально исследованного диапазона чисел Re и геометрических размеров интенсификаторов.

1 10 E'max 0, 0, 10 100 Re Рис.7.4. Сравнение эффективности различных поверхностных интенсификато ров теплоотдачи при их оптимальных геометрических параметрах. Обозначе ния по таблице 7.3.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Nu/Nuгл 5 0, Re 10 100 1000 Рис.7.5. Сравнение теплоотдачи в каналах с различными поверхностными ин тенсификаторами теплоотдачи при их оптимальных геометрических парамет рах. Обозначения по таблице 7.3.

/гл 10,11 0, 10 1000 Re Рис.7.6. Сравнение гидравлического сопротивления в каналах с различными поверхностными интенсификаторами теплоотдачи при их оптимальных гео метрических параметрах. Обозначения по таблице 7.3.

В области чисел Re = 80 1000 максимальная эффективность характерна для кольцевых поперечных выступов относительно большой высоты h D 0,1, Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования линия 3, рис.7.4. При оптимальных геометрических параметрах выступов обес печиваются необычно значительные эффекты интенсификации (по сравнению с турбулентным режимом): увеличение интенсивности теплоотдачи в зависимо сти от числа Re достигает Nu Nu гл = 6,5, при этом нарастание уровня тепло обмена существенно опережает соответствующее увеличение сопротивления, ограниченное значением гл = 1,75. По сравнению со всеми остальными рас сматриваемыми интенсификаторами поперечные выступы, линии 3, гаранти руют максимальную теплоотдачу, рис.7.5, и почти минимальное сопротивле ние, рис.7.6. Как следствие, повышение эффективности интенсифицированного канала до величины E = 3,72, рис.7.47.6, линии 3, табл.7.4. Оптимальная вы сота выступов равна h D = 0,1.

Если учитывать основные факторы, определяющие целесообразность ис пользования некоторого интенсификатора в технике: эффективность, техноло гию производства и его стоимость, прочность интенсифицированного канала и другие факторы, то следует заключить, что в интервале чисел Re = 80 поперечные кольцевые выступы являются (как и в турбулентном потоке) наи более перспективным типом интенсификаторов теплоотдачи. Промышленное использование этих интенсификаторов позволит многократно снизить массу, стоимость и габариты теплообменного оборудования при одновременном улучшении его энергосберегающих и экологических свойств.

Поперечные выступы высотой h D = 0,1, соответствующие линиям 6, со действовали одинаково значительной интенсификации теплоотдачи со случаем линий 3, рис.7.5. Максимальное увеличение коэффициента теплоотдачи оказа лось равно Nu Nu гл = 10, линия 6, рис.7.5. Однако наблюдавшиеся в опытах [3, 47] автоколебания потока, возникающие под влиянием отрывных когерентных структур, генерируемых выступами, привели к весьма значительному росту со противления канала ( гл 100 ), рис.7.6, линия 6, и резкому падению эффек тивности канала с выступами E 0,1, линия 6, рис.7.4, табл.7.4. Возможность появления автоколебаний и резонанса потока в каналах с интенсификаторами и негативные последствия колебаний для работы теплообменников требуют при стального изучения этой малоисследованной проблемы [48,49].

Поперечные выступы относительно меньшей высоты h D 0,0625, линии 10, при почти одинаковых величинах сопротивления канала гл (по сравне нию с выступами высотой h D 0,1, линии 3) позволяют достигать существен но меньших эффектов интенсификации теплообмена: Nu Nu гл 3,23 ;

E 2,95, рис.7.47.6, табл.7.4.

Часто расположенные ( t l = 0,5 мм) поперечные выступы несколько меньшего размера h D 0,05, линии 8, образованные смещением соседних листов статорного железа в охлаждающем канале статора электромашины и за нимающие только часть контура поперечного сечения круглого канала, обла дают достаточно высокой теплообменной способностью Nu Nu гл 4,64 и Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования вполне приемлемой эффективностью E 1,59 при относительно повышенных числах Re = 600 2500.

Анализ результатов экспериментальных исследований каналов с кольце выми поперечными выступами интенсификаторами теплоотдачи при различ ных геометрических параметрах и форме выступов убеждает в том, что макси мальная эффективность присуща выступам, соответствующим линиям 3 [39]. В изученном интервале чисел Re оптимальные размеры выступов равны:

h D = 0,1 ;

t D = 0,66, табл.7.4.

Взаимное расположение линий 3;

6;

10;

8, рис.7.5, и соответствующее снижение уровня интенсивности теплоотдачи от линий 3;

6 к линии 10 и далее к линии 8 указывает на определяющую роль высоты выступов h D для дости жения высоких коэффициентов теплоотдачи и максимальной эффективности канала. По мере уменьшения высоты h D параметры Nu Nu гл и E снижают ся. Оказывается, что для не частых выступов (линии 3;

10) высота выступов значительно влияет на теплоотдачу (рис.7.5) и в меньшей степени изменяет со противление канала (рис.7.6). Вполне очевидно: высота выступа определяет ос новной фактор интенсификации теплообмена величину импульса возмуще ния, вносимого выступом в поток. Соответственно, от уровня возмущения за висят некоторые вторичные факторы: скорость релаксации внутреннего погра ничного слоя за выступом [50] и ускорение ламинарно-турбулентного перехода в этом слое [51]. Процессы релаксации и перехода весьма заметным образом влияют на интенсивность явлений переноса в пристенной области течения.

Следовательно, высота выступов основополагающий параметр для формиро вания теплогидравлических свойств интенсифицированных каналов. В некото рой мере вторично, но несомненно и принципиально важно для интенсифика ции значение шага выступов, т.е. частоты их установки вдоль канала [3,33,36,37].

Оптимальная высота выступов в номинально ламинарной области режи мов течения в 2 и более раз превышает размер выступов, целесообразных для интенсификации турбулентных потоков.

С позиций внедрения выступов-интенсификаторов в технику следует от метить позитивный факт – оптимальная высота выступов для интенсификации ламинарной теплоотдачи относительно мала, а шаг выступов достаточно боль шой, поэтому не потребуется значительная деформация стенки при производ стве интенсифицированных труб, соответственно, технология накатки высту пов на трубах не должна быть дорогостоящей.

Анализ теплогидравлических качеств каналов со спиральными выступами и спиральными проволочными вставками затруднен тем обстоятельством, что, к сожалению, в литературных источниках, соответствующих линиям 4;

9;

(табл.7.3), частично или полностью отсутствуют сведения по величинам h, t, или имеются опечатки в уравнениях подобия для расчета параметров Nu,.

Однако некоторые выводы могут быть сформулированы.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Расположение линий 2;

4;

5;

9;

14, рис.7.4, показывает, что в интервале Re = 70 1000 эффективность спиральных выступов и вставок существенно ниже, чем для поперечных выступов (линия 3). В почти неисследованной об ласти Re = 20 60 проволочные вставки, соответствующие линии 5, рис.7.47.6, имеют достаточно высокие показатели: Nu Nu гл 2,2 ;

Emax 1,77, табл.7.4. Важно заметить, что оптимальные параметры вставки h D = 0,08 ;

= 76 0 (табл.7.4) практически одинаковы с предпочтительными размерами кольцевых поперечных выступов ( h D = 0,1, линия 3), угол = фактически переводит спиральную вставку в разряд поперечных выступов (при больших углах закрутка потока пренебрежимо мала).

Эффективность вставок, линия 5, рис.7.4, резко ухудшается в диапазоне Re = 100 1000. Теплогидродинамическое совершенство проволочных вставок возможно улучшить, если использовать увеличенный параметр h D = 0,17 и сравнительно большой шаг спирали t D = 4,3, который содействует заметной закрутке потока, линия 2, рис.7.4, табл.7.4. Другой вставке, линия 9, рис.7.4, также соответствует увеличенный оптимальный шаг t D = 6,5, табл.7.4. Однако и в этих случаях эффективность вставок ниже, чем поперечных выступов.

Эффективность кольцевых поперечных канавок, линия 11, рис.7.4, усту пает показателям низких поперечных выступов, линия 10, рис.7.4, 7.5. Сопро тивление этих выступов и канавок одинаково, линии 10, 11, рис.7.3, т.е. гидро динамическое воздействие на поток в обоих случаях тождественно, как в опы тах Вигхардта, для цилиндрических выступов и выемок [33].

Низшая эффективность характерна для поперечных диафрагм, линии 7, рис.7.47.6, которым соответствует максимальное сопротивление.

Прогноз, сделанный в [33], относительно перспектив применения сфери ческих выемок для интенсификации теплоотдачи ламинарных потоков под твердился в ходе экспериментальных исследований. Сферические выемки, ли нии 13, рис.7.47.6, табл.7.37.4, обеспечили в диапазоне Re = 1000 2000 опе режающий рост интенсивности теплоотдачи (достигающий Nu Nu гл 3 ) по сравнению с увеличением сопротивления (которое не превысило гл 1,8 ).

Соответственно, достигнута повышенная эффективность канала с выемками E 1,7 относительно гладкой трубы. Следовательно, сферические выемки вполне рационально использовать для интенсификации ламинарной теплоотда чи, выигрыш от уменьшения массы, габаритов и стоимости теплообменников очевиден.

Сферические выступы, линии 12, рис.7.47.6, гарантируют большие ко эффициенты теплоотдачи ( Nu Nu гл 5 ), чем выемки. Но в случае выступов нарастание теплоотдачи достигается за счет одинакового или опережающего роста сопротивления канала (особенно при Re 1500 ), поэтому эффективность выступов заметно ниже, чем у выемок, табл.7.4.

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Интересно сопоставить оптимальные геометрические параметры сфери ческих выемок и выступов, линии 12;

13, табл.7.4, которым соответствует мак симальная эффективность таких интенсифицированных каналов.

Оптимальные поперечные размеры выемок и выступов одинаковы h d = h 0 = 0,21 и равны наименьшему значению этого размера в области иссле дованных величин h 0. Для выемок, линия 13, табл.7.5, в изученном интервале Re = 400 2000, вероятно, реализовалась картина обтекания выемки без при соединения основного потока к дну выемки [33]. (Более значительных эффек тов интенсификации следует ожидать при отрывном обтекании относительно мелких выемок h 0 0,1 с присоединением течения на дне выемки [33]). Необ ходимость формирования систематизированных представлений по интенсифи кации ламинарной теплоотдачи требует проведения исследований эффективно сти каналов с мелкими выемками h 0 = 0,04 0,1(0,2 ), в которых отрывное обте кание выемки сопровождается присоединением потока к дну выемки.

Оптимальные относительные (к каналу) размеры выемки h H = h л = 0,3 и выступа h H = h сф = 0,186 существенно различны. В исследованном диапазоне величин h л и h сф (табл.7.3) значение h л = 0,3 примерно совпадает со средней величиной. Параметр h сф = 0,186 является минимальным. Соотношение разме H d = H к, сф = 1, H d = H кл = 0,71 имеет обратный характер:

ров и H к,сф H кл. Возможно предполагать, что в рассматриваемых результатах ана лиза эффективности выемок и выступов проявляется следующая логика тепло гидравлических процессов. Теплоотдача каналов с выемками значительно по вышается в случае стесненных каналов, сопротивление канала почти не зависит от размера H кл [4,33], поэтому наиболее выгодным оказался минимальный (из исследованных) размер канала H кл = 0,71. При этом выемка, углубленная в стенку канала, может быть достаточно глубокой h л = 0,3 для достижения по вышенных значений Nu Nu гл. Выступы, загромождающие проходное сечение канала, весьма заметно (по сравнению с выемками) увеличивают сопротивле ние канала: параметр гл для выступов более чем в 2 раза превышает соот ветствующее значение для выемок, табл.7.4. Поэтому для выступов предпочти тельными оказались минимальный размер высоты выступа h сф = 0,186 и боль шее проходное сечение канала H к,сф = 1,12. Для полноты и надежности сужде ний об интенсификации ламинарной теплоотдачи посредством сферических выступов необходимо экспериментально выяснить эффективность каналов с низкими выступами h 0 = 0,04 0,2 ;

h сф = 0,05 0,2.

Результаты авторов по исследованию сферических выемок и выступов приведены в работе [53].

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования Замечания об актуальности дальнейшего опытного изучения эффективно сти мелких выемок и низких выступов не умаляют ценность представленных в данной работе новых эмпирических результатов по исследованию эффективно сти обсуждаемых интенсификаторов, так как эти результаты получены в доста точно широком и теплогидравлически обоснованном диапазоне определяющих параметров h 0 ;

h л ;

h сф ;

H кл ;

Н к,сф ;

табл.7.3. Следовательно, рекомендации по оптимальным размерам выемок и выступов, содержащиеся в табл.7.4, являются новой информацией, полезной для теории и практики разработки перспектив ного теплообменного оборудования повышенной эффективности.

Целесообразно дать некоторые общие соображения по результатам ана лиза эффективности всех рассмотренных интенсификаторов теплоотдачи.

Теплоотдача во всех интенсифицированных каналах, рис.7.5, более ин тенсивна, чем в гладкой трубе. Интенсификация теплоотдачи достигает значе ния Nu Nu гл = 10. Только в случае канавок, линия 11, в области малых чисел Re теплоотдача падает ниже уровня гладкой трубы, что наблюдалось рядом ис следователей и имеет известное объяснение [3,7,36]. Степень нарастания коэф фициентов теплоотдачи в зависимости от числа Re для ряда интенсификаторов, линии 2;

3;

6;

9;

10;

11;

13, практически одинакова, что свидетельствует в поль зу идентичности механизмов интенсификации теплоотдачи для поперечных выступов и канавок, проволочных спиральных вставок, сферических выемок.

Показательно совпадение интенсивности и характера нарастания теплоотдачи для канавок и выемок, линии 11;

13.

Сопротивление каналов с любыми интенсификаторами, рис.7.6, больше, чем гладкой трубы. Сопротивление каналов с некоторыми интенсификаторами, линии 3;

9;

10;

11;

13, почти одинаково на отдельном участке или на всем ин тервале чисел Re = 100 1000, что также подтверждает теплогидравлическую общность механизмов интенсификации для вышеуказанных интенсификаторов.

Этот вывод принципиально важен для теории и практики интенсификации теп лообмена.

Соотношение Emax 1, имеющее место для ряда интенсификаторов в не которой области чисел Re, рис.7.4, совершенно не означает, что каналы с дан ными интенсификаторами всегда менее эффективны, чем гладкие. Выражение Emax 1 справедливо для этих интенсификаторов лишь при принятых здесь ус ловиях их сравнения, в частности, для Re = idem для интенсифицированного и гладкого каналов [35].



Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.