6.1. Интенсификация теплообмена при вынужденной конвекции жидкости
Интенсификации подвергаются теплообменные поверхности как внутритрубные, так и межтрубные. В межтрубном пространстве интенсификация достигается при деформации труб по длине, например, витые трубы, технологию изготовления которых в середине 80-х гг. разработали на Днепропетровском трубном заводе. В настоящее время такого вида интенсификаторы исследованы недостаточно. Данные для практического применения отсутствуют.
Интенсификация теплообмена в трубах осуществляется кольцевыми или винтовыми накатками, нарезками, причем как 1,2-заходными, так и многоходовыми.
Механизм интенсификации теплообмена в канале заключается в разрушении ламинарного пристеночного слоя аналогично тому, как это показано (рис. 6.2) на примере поперечных ребер, расположенных по ходу потока. Интенсификация теплообмена в каналах с накатками изложена в книге Г.А. Дрейцера [16]. Механизм образования завихрений между выступами по ходу потока 1 показан на рис.6.2 при малом рис.6.2,а, при среднем рис.6.2,б и большом рис.6.2,в шаге. Как видно из рис.6.2 образуется основная вихревая область В, а также малые области завихрения А и С.
Рис. 6.2. Схема структуры вихревых зон между турбулизаторами в безградиентном пограничном слое: а – малый шаг; б – средний шаг; в – большой шаг
Пристеночные ламинарные течения имеют струйную структуру, т.е. состоят из отдельных несмешивающихся между собой струек. Теплопередача в этом случае значительно ухудшена. Разрушением ламинарного подслоя, за счет увеличения пристеночных скоростей, достигается значительная интенсификация теплообмена. Однако, если возмущения выходят в турбулентное ядро потока, это приводит так же к значительному увеличению гидродинамического сопротивления.
Конструктивно накатанная трубка выглядит так, как это показано на рис. 6.3. Разность D и d характеризует высоту выступов.
Рис. 6.3. Продольный разрез трубы с поперечными канавками на наружной стороне и плавно очерченными выступами внутри
а)
б)
Рис. 6.4. Влияние числа Re на сопротивление (а) и интенсификацию теплоотдачи (б) в накатанных трубах: 1 – граница чисел Re*; 2 – d/D=0,983; 3 – d/D=0,966; 4 - d/D=0,943; 5 – d/D=0,92; 6 – d/D=0,912 (шаг 1,0); 7 – d/D=0,875 (шаг 0,5)
По данным МАИ при
оптимальном соотношении
и
увеличение коэффициента теплоотдачи
в зависимости от средней скорости может
достигать от 2 до 4 раз (рис. 6.4,а), а
гидравлическое сопротивление при этом
увеличивается в меньшей степени, всего
от 20 до 60% (рис. 6.4,б). Как правило, такого
рода интенсификация эффективна в
теплообменниках с вязкими средами в
трубах: (мазут, нефть), у которых
кинематическая вязкость
на 2-3 порядка выше, чем у воды и
соответственно толщина ламинарного
пристеночного слоя намного больше.
Так, например, для воды при температуре
80оС, движущейся со скоростью 2 м/с
в трубе d = 25мм, толщина
ламинарного подслоя составляет примерно
200 мкм. Это говорит о том, что интенсификация
теплообмена в воде без существенного
увеличения гидравлического сопротивления
может производиться уже на уровне
шероховатости в трубах.
В этом случае если обозначить t – шаг, - глубина шероховатости имеем:
Сш
;
Сш
где t – шаг выступов шероховатости; - глубина шероховатости; Сш– коэффициент, учитывающий влияние шероховатости на теплообмен, Сш >1.
Критерий Нуссельта определяется из выражения
Nu = 0,022 Re0,8 Pr0,47 Сш,
где Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля.
Использование кольцевой накатки для интенсификации теплообмена по наружной поверхности трубы (по межтрубному пространству) не столь эффективно, как внутри труб. Максимальное увеличение коэффициента не превышает 40 - 50 %. Так, при t/D = 1,4 - 1,5 критерий Nu в этом случае может быть определен по формуле
.