Учебное пособие 800622

перемещение теплоносителя несущественен, а на первый план выдвигаются требования компактности, высоких теплосъемов и малого веса теплообменного устройства.

Исследовалась теплоотдача при течении воды и масла в горизонтальной трубе при одностороннем и двустороннем воздействиях ультразвуковых колебаний интенсивностью до 7 вт/см2 и частотой до 160 кгц. Отмечено увеличение коэффициента теплоотдачи на 30 % при одностороннем воздействии колебаний и на 80 % – при двустороннем. На теплоотдачу в пол ультразвуковых колебаний влияют расход и физические свойства материала трубки, частота и интенсивность колебаний. Так, увеличение интенсивности ультразвуковых колебаний приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи; повышение частоты ультразвуковых колебаний при неизменной интенсивности уменьшает степень воздействия на теплоотдачу в результате повышения поглощения колебаний в твердых телах и жидкостях. Твердые тела в разной степени поглощают ультразвуковые колебания: эффект, достигнутый с дюралюминиевой трубкой, был значительно выше, чем с медной.

Отмечено существенное влияние ультразвуковых колебаний частоты 1 мгц на теплоотдачу при поверхностном кипении воды: критическая тепловая нагрузка при наличии ультразвуковых колебаний оказалась на 30-80 % выше, чем в обычных условиях, причем она возрастает по мере увеличения недогрева жидкости до температуры насыщения.

Установлено, что колебания указанной частоты не влияют на интенсивность теплоотдачи от воздуха к поверхности твердого тела: происходит практически полное отражение волн от поверхности газового пограничного слоя. В то же время наблюдается довольно существенное увеличение интенсивности теплоотдачи от масла к поверхности твердого тела.

В настоящее время еще не накоплен экспериментальный материал, на основании которого можно было бы судить о целесообразности применения ультразвуковых колебаний для интенсификации теплоотдачи в промышленных теплообменных аппаратах.

140

3.5. Некоторые другие способы интенсификации теплоотдачи при течении теплоносителя в каналах

Остановимся на некоторых способах интенсификации теплоотдачи при течении теплоносителя в каналах, которые представляют известный практический интерес.

Приводятся данные о теплоотдаче от стенки обогреваемой вертикальной трубы внутренним диаметром 14 мм и высотой 200 мм к двухфазному газожидкостному потоку (вода-воздух и газойль-воздух). Воздух и жидкость вводились через отверстия, выполненные под углом 45° к вертикали в стенке нижнего конца трубы длиной 1200 мм, использованной

вкачестве входного участка. Весовая скорость воды изменялась в приделах L=20 ÷ 80 г/см2•сек, газойля L=22 ÷ 42 г/см2•сек. Объемное соотношение воздуха и жидкости (Vг/Vж)

вдвухфазном потоке изменялось от 1 в сторону увеличения, что сопровождалось возрастанием коэффициента теплоотдачи до максимального значения, соответствующего определенной

величине (Vг/Vж). С увеличением весовой скорости жидкости L максимум смещается в область меньших значений (Vг/Vж). Опытные данные для системы воздух – вода описываются с точностью до ±15 % эмпирическим уравнением

Nu 0.029 Re0.872 Pr1/3 ( / ст )0.14.

Для системы воздух – газойль

отнесенная к полному поперечному сечению трубы диаметром D;

141

ж , г – удельный вес жидкости и газа;ж , г – вязкость жидкости и газа;

, ст – вязкость потока при температуре в ядре и у

стенки.

Особенно сильно увеличивается коэффициент теплоотдачи в области сравнительно низких значений Vг/Vж.

При истечении жидкости из сопла в направлении, перпендикулярном теплообменной поверхности, относящей от него на небольшом расстоянии, в окрестности точки падения струи, растекающейся тонкой пленкой, происходит сильная интенсификация теплоотдачи. Так, при истечении воды через отверстие диаметром 0.5 мм, отстоящее на расстоянии 50 мм от теплообменной поверхности, толщина образующейся на ней пленки жидкости составляет 0.02 мм, при скорости жидкости в струе 14 м/сек; пленка такой толщины существует на поверхности, ограниченной окружностью диаметром 10 мм с центром в точке падения струи. Скорость воды в образующейся тонкой пленке близка к скорости ее в струе, т.е. в рассматриваемом случае ~ 14 м/сек. Если теплообменная поверхность криволинейна, то тонкая пленка жидкости движется вдоль этой поверхности, и качественно явление не изменяется.

Благодаря небольшой толщине пленки жидкости и высокой скорости ее движения коэффициент теплоотдачи сильно возрастает; он может быть вычислен по уравнению

где – удельный вес жидкости, кг/м2; с – теплоемкость жидкости в струе, ккал/кг•град;– скорость жидкости в струе, м/ч;

– коэффициент теплопроводности жидкости, ккал/м

ч град;

r– радиус струи, м.

142

Для рассмотренных выше условий получим по уравнению (3.19)

(1000 1 14 0,585 3600)1/3 73500ккал / м2 ч град, (0, 2 10 3 )2

где 14 3600м / ч ; 0,585ккал / м ч град;

r0, 2 10 3 м; 1000кг / м3; с 1 ккал / кг град .

Втом случае, когда струя воды вытекает с той же скоростью из отверстия диаметром 0.3 мм, коэффициент

теплоотдачи возрастает до 100000ккал / м2 ч град . В последнем случае при разности температур поверхности и воды, равной 10°, обеспечивает теплосъем ~ 1 106 ккал/м2 ч. Для сообщения воде скорости в 14 м/сек при истечении через отверстие диаметром 0.3 мм необходимо создать избыточное давление порядка 1 кг/см2; расход воды через отверстие составит в этом случае ~ 1 см3/сек, и на каждый квадратный сантиметр поверхности необходимо направить три струи, что связано с затратой мощности ~ 0.3 вт/см2; это составляет чрезвычайно малую долю осуществляемого теплосъема.

Теплообменная поверхность не должна быть сильно удалена от выходных отверстий коллектора-распределителя жидкости, так как в противном случае может происходить распыление жидкости на отдельные капли, что приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи. При диаметре отверстий 0.3 мм расстояние до поверхности теплообмена не должно превышать 4050 мм.

На рис. 3.18 показаны возможные конструктивные формы теплообменников, в которых использована рассмотренная система интенсификации теплоотдачи. Слева охлаждается (или нагревается) горизонтальная плита прямоугольной формы, а справа вертикальная цилиндрическая поверхность.

143

Рис. 3.18. Теплообменники с пленочным течением капельной жидкости [8]

Исследована зависимость локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхности горизонтальной плиты, перпендикулярно к которой направлена струя воздуха из сопла небольшого диаметра, от ряда факторов: расстояние между поверхностью и соплом, расстояние от места падения струи. Способы интенсификации теплообмена, рассмотренные в настоящей главе, получили значительно меньшее распространение, чем, например, применение для этой цели развитых (оребренных) поверхностей. Это объясняется как относительно меньшим эффектом, достигаемым при реализации указанных способов, так и недостаточной их изученностью.

Из изложенного следует, что при рациональном подходе в отдельных случаях воздействием на поток теплоносителя рассмотренными методами можно существенно интенсифицировать теплоотдачу, уменьшив габаритные размеры и вес теплообменных аппаратов. Нами рассмотрены далеко не все известные способы интенсификации теплоотдачи. В частности, высокие значения коэффициента теплоотдачи достигаются в аппаратах с движущимся слоем насадки как плотным, так и псевдоожиженным. Однако аппараты такого типа составляют обособленную группу, и рассмотрение их особенностей не входит в задачу этой работы.

144

4. МЕТОДЫ СРАВНИЕТЛЬНОЙ ОЦЕНКИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

При проектировании теплообменного аппарата с развитой поверхностью возникает необходимость в решении следующих основных вопросов:

1.Выбора типа оребренной (развитой) поверхности с учетом относительной ее эффективности и специфических требований, определяемых условиями работы аппарата (температура и давление, требования компактности, минимального веса и др.).

2.Определение оптимальной степени оребрения, исходя из условий теплоотдачи на обеих сторонах разграничивающей поверхности и изменения габаритных и весовых характеристик теплообменника в зависимости от степени оребрения.

3.Рациональной компоновки выбранной

поверхности.

Методика оценки относительной эффективности различных теплообменных поверхностей рассматривается ниже и составляет основное содержание настоящей главы. Остановимся вкратце на двух последних вопросах.

Оптимальная степень оребрения теплообменной поверхности определяется двумя основными факторами: а) к.п.д. (эффективностью) оребрения и б) соотношением значений коэффициента теплоотдачи на противоположных сторонах теплообменной поверхности. Действительно, степень оребрения, например трубки, может быть увеличена за счет увеличения длины ребер или их количества при соответствующем уменьшении толщины; при этом возрастает термическое сопротивление переносу тепла путем теплопроводности ребра, уменьшается к.п.д. (эффективность) оребрения, увеличивается вес и размеры поверхности. Целесообразность той или степени оребрения в сильной степени развитой и гладкой поверхности (при одностороннем

145

оребрении) или на противоположных развитых поверхностях (при двустороннем оребрении).

Очевидно, что чем больше отношение коэффициентов теплоотдачи, тем выше должна быть степень оребрения. Так, при использовании трубок с непрерывным спиральным оребрением в витых перекрестно точных теплообменниках воздухоразделительных установок при давлении сжатого газа 30-40 кг/см2 (см. гл. 2, ч. 1) нецелесообразно применять трубки с коэффициентом оребрения более 5, так как в этом случае габариты и вес теплообменника начинают увеличиваться. Наоборот, когда коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубок возрастает (например, в переохладителе жидкого азота или в условиях охлаждения газа водой), следует развивать наружную поверхность трубок, доводя коэффициент оребрения до 8-12 и более, так как это позволяет уменьшить габаритные размеры и вес теплообменника. Дополнительным обстоятельством, которое часто имеет определяющее значение, является допустимая потеря напора в теплообменнике.

Существенна также компоновка теплообменной поверхности: пучки оребренных трубок могут быть тесными или свободными, шахматными или коридорными; в пластинчатых теплообменниках можно изменять расстояние между разграничивающими пластинами и т. д. Это приводит к определенным изменениям в соотношениях между интенсивностью теплоотдачи и потерей напора и сказывается на габаритных и весовых характеристиках теплообменных аппаратов. Из краткого изложения существа затронутых вопросов следует, что решение поставленных задач достаточно сложно и требует рассмотрения взаимосвязи между большим числом переменных.

Мы ограничимся более детальным рассмотрением методов оценки относительной эффективности различных поверхностей, считая, что известны их геометрические характеристики (определяющие линейные размеры, компоновка), вес, зависимость теплоотдачи и потери напора от скорости теплоносителя.

146

Предложено использовать для оценки эффективности поверхности так называемый энергетический коэффициент

представляющий собой отношение количества переданного тепла Q к работе, затраченной на преодоление сопротивления перемещению теплоносителя A N , где А = 1/427 к к а л / к г м - тепловой эквивалент механической энергии.

Очевидно, что чем выше значение энергетического коэффициента Е , тем более эффективна (с точки зрения энергозатрат) теплообменная поверхность, при этом из рассмотрения исключаются габаритные размеры поверхности, ее вес.

Из структуры уравнения (4.1) следует, что при сравнительной оценке различных поверхностей для определения количества передаваемого тепла Q необходимо задаваться температурным напором, т. е. средней разностью температур теплоносителя иповерхности; как известно, эта разность зависит от схемы движения потоков в теплообменнике и отражает специфические условия работы теплообменного аппарата в целом.

Более удобно оценивать тепловую эффективность теплообменной поверхности коэффициентом теплоотдачи α, а затрату энергии на преодоление сопротивления перемещению теплоносителя относить к единице поверхности теплообмена. В этом случае энергетический коэффициент выражает количество тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности при разности температур в 1°С, на единицу энергии, затраченной для перемещения теплоносителя, т.е.

где α – коэффициент теплоотдачи, ккал/м3•ч•град;

147

AN0– энергия, затраченная в течение 1 ч на перемещение теплоносителя на 1 м2 поверхности, выраженная в тепловых единицах, ккал/м2 ч

Таким образом, энергетический коэффициент в соответствии с уравнением (4.2) и при принятых единицах измерения имеет размерность Е=град-1.

Затраты энергии в течение 1 ч на перемещение теплоносителя, отнесенные к 1 м2 полной теплообменной поверхности Ап, можно вычислить по уравнению

где p – потеря напора, кг/м2;

ω– скорость теплоносителя в минимальном поперечном сечении, м/сек.

Ac – минимальное поперечное сечение, м2.

Как известно, потеря напора p связана с критерием Эйлера соотношением

Тогда энергетический коэффициент

148

Для трубчатых поверхностей можно несколько преобразовать полученное уравнение (4.6).

Для пучков из гладких труб при поперечном обтекании

потоком отношение ( Ac ) связано с параметрами труб и пучка

Aп

соотношением (рис. 4.1):

Ac (si d) h (1 d d) h hd (1 1),

где 1 sdi - относительный поперечный шаг.

An dh ( по наружному диаметру трубок).

Тогда Ac ( 1 1) , и, относя в уравнение (4.6) величину

An

Еu к одному ряду трубок, получим для гладкотрубного пучка:

Подобным способом можно получить выражение энергетического коэффициента Е для любой поверхности.

Для сравнительной оценки каких-либо двух поверхностей необходимо сопоставить значения Е в интересующем диапазоне скоростей: поверхность, которой присуще более высокое значение Е, эффективнее в энергетическом отношении.

149