УДК 536.24

СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ

Д. Н. Землянский1, П. Р. Петличев2, В. Ю. Дубанин3

1Студент гр. мПТ-201,zeml.den2015@yandex.ru 2Студент гр. мПТ-201,petlichevp@mail.ru 3Канд.техн.наук,vdubanin@cchgeu.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В данной работе рассмотрено влияние выемок сферического типа на интенсификацию теплообмена при различном характере обтекания выемки и различных режимах обтекания. Сравнивались варианты нанесения лунок на поверхность при различных скоростях обтекаемой жидкости. На основании опытных данных был сделан вывод, что с помощью выемок сферического типа можно существенно интенсифицировать теплообмен в различных установках при относительно небольших дополнительных затратах.

Ключевые слова: интенсификация, выемка сферического типа, теплообмен, обтекание, пристенная интенсификация, турбулизация, пограничный слой, вихрь.

Интенсификация теплообмена в энергетических установках имеет большое практическое значение. Интенсификация теплообмена связана с воздействием на структуру потока и, в частности, на пристеночный слой, поэтому нданый вопрос имеет также и большой теоретический интерес. Наиболее энергоэффективным способом интенсификации является пристенная интенсификация. Сущность данного способа заключается в следующем: на теплообменную поверхность наносятся выступы или выемки, вследствие чего турбулизация происходит в области пристенного течения, происходит разрушение образовавшегося пограничного слоя и генерирование крупных вихревых структур.

На интенсификацию теплообмена сильное влияние оказывает режим обтекания выемки[1]. При обтекании выемки сферического типа в зависмости от скорости течения выделяют: диффузионный поток, диффузонноконфузорный режим циркуляциипотока, U-образный вихрь в углублении и вихревые потоки.

Поток является диффузионным, если скорость течения невысокая. При этом происходит изгиб потока в сторону углубления.

При большей скорости течения поток отрывается у входной кромки углубления, образуется область рециркуляции и далее происходит соединение потока со дном впадины [2- 4]. В сравнении с теплообменом на гладкой плоск-

35

сти интенсификация в этом случае не превышает 20 %. На рис. 1 представлен диффузорно-конфузорный режим циркуляции потока.

Рис. 1. Диффузионно-конфузорныйрежим циркуляции потока (SZ–зона рециркуляции) [1]

Далее увеличивая скорость течения, в выемке образуется U-образный вихрь с концами по обеим боковым стенкам лунок [2, 5]. В проекции на плоскость стены видны два симметричных тока. Пограничный слой над отверстием регулярно сворачивается, отрывается ипревращается в дорожку Кармана.U-образный вихрь в углублении показан на рис. 2.

Рис. 2. U-образная форма вихря в углублении [1]

С ускорением потока один из концов вихря начинает возвышаться над выемкой, стремится к верхней стенке канала и верхнюю часть этого вихря сносит потоком. Вихрь неустойчив, и его конец может прыгать с левой стороны выемки

36

в правую и обратно. Этот режим называют режимом переключения. Варианты расположения потока в сферических углублениях показаны нарис.3.

Рис. 3. Вихревые потоки в сферических вырезах [1]

Жидкость из главного потока попадает в насечку возле передней кромки, один раз обтекает плоскость, после этого выносится во внешний поток. Среда неспешно перемещается из одной половины выемки в другую, и вибрации вихря происходят с высокой частотой, перпендикулярной его продольной оси. Смерч над углублением отсоединяется, образуя вихревую дорожку.

Для различных типов потока интенсификация теплообмена заметна и может быть вполне пропорциональная скорости потока. Большое значение в нитенсификации теплообмена имеет зона за насечкой, после образования вихря термогидравлические свойства поверхности с насечками снижаются, а гидравлческие потери увеличиваются.

В настоящее время различают отрывные и безотрывные выемки сферического типа. Отрывной выемкой считается такое углублениев, котором соотношение высоты выемки к еёдиаметру лежит в диапазоне от 1/10 до 1/5. В такой лунке возникают повторные циркуляционные потоки и вихревые структуры, образующиеся нестационарно[6].

При образовании циркулирующего течения в лунке образуется замкнутый контур. Одна часть потока возвращается в углубление, другую уносит во внешний поток. Схема течения в полусферической полости отрывного видаопказана нарис. 4.

37

Рис. 4. Течение жидкости в полусферической полости отрывного вида [1]

Образование крупных вихрей в отрывных лунках происходит из- а того, что образующийся на вогнутой поверхности выемки пограничный слой неустойчив [7]. Торнадо вызывается микровихрями Тейлора-Гертлера, которые образуются под действием центробежных сил массы потока.

Интенсификация теплообмена происходит при присоединении к опверхности за лунками самоорганизующихся вихрей, выходящих из них.

Пульсации, направленные от потока к стенке, переносят массы теплонсителя от ядра потока к обтекаемой поверхности и обратно, тем самым повышая конвективный теплообмен в полостях выемок отрывного типа. Затраты энергии на интенсификацию теплопереноса соизмеримы с приростом теплоотдачи, когда пристенная интенсификация осуществляется в тонком слое возле стенки.

Скругление кромок при h / d = 1/2 приводит к снижению гидросопротивления до 30%, а коэффициент теплопередачи снижается на10-15%.

Ю.М. Ануров предложил уравнение для расчёта среднего коэффициента теплоотдачи на поверхности с выемками, которое учитывает влияние глубины выемки, плотность расположения выемок, и высоту канала8][.

Критерий Нуссельта Nu вычисляется по формуле

где f –коэффициент, учитывающий плотность расположения насечки; h –глубина насечки, м; dсф –диаметр насечки, м; H –высота канала, м.

При низкой скорости обтекания траектория течения жидкости вблизи выемки слегка деформируется, почти повторяя контуры выемки, а протекающие

38

над выемкой слои стремятся углубляться внеё. Чем выше скорость потока над выемкой, тем большеслоёв воды искажается надней. Данное обтекание назывют «ламинарным безотрывным обтеканием» и сответствует только соотно-

шению h / d =1/20-1/5. Такой вариант обтекания представлен на рис. 5.

Рис. 5. Огибание безотрывной лунки [2]

При локальном изменении величины канала происходит расширение потока в створе [2]. В середине лунки поток замедляется, по краям – ускоряется. В результате экспериментов В.Н. Афанасьев и Я. П. Чудновский доказали, что в передней части насечки диффузионное течние, а в задней части конфузорное, но в задней части лунки, в то же время, есть микроотрывы, есть

также вихри Тейлора-Гертлера [9]. В углублениях с глубиной h / d = 1/6-1/4 и скоростью потока от 0,3 до 2 м/с в лунке образуется вторичный ток в видехряви, его ось расположена перпендикулярно оси главного потока [10].

Вихревую интенсификацию теплообмена обеспечиваютпутём подбора оптимальных соотношений рельефа из лунок и режимами течения теплоноситля. В работе [11]были экспериментально исследованы аэродинамические характеристики пластин с различными сферическими углублениями и без них при различных скоростях воздуха. В результате проведения экспериментов было установлено, что максимально реализуются возможности интенсификации теплообмена при следующих параметрах:

-глубина сферыдолжна быть в 2 раза меньше еёдиаметра;

-сферы должны наноситься на поверхность с шагом, при котором площадь отверстий составляетот 40 до60 % от гладкой поверхности;

-шахматное расположение сфер является предпочтительным;

-при охлаждении приборов нанесение лунок на рёбра охладителя с плотностью 50% снижает тепловое сопротивление охладителей на 15%;

-при охлаждении тиристоров в составе преобразователя энергии охладители с олуненнымирёбрамиснижали температуру на 5-7 градусов больше, чем охладители со стандартнымирёбрами.

39

Вработе [12] были представлены результаты работы пароводяногоокжухотрубного теплообменного аппарата,оснащённого олуненными латунными трубками, изготовленными с помощью наружного давления. Особенность данных трубок состоит в том, что при олунении внешней стороны на внутренней поверхности также возникает рельеф, способный интенсифицировать теплообмен.

Как показали исследования, коэффициент теплоотдачи от стенки трубы

кводе вырос в 1,59 раза по сравнению гладкими трубками. Также была достигнута интенсификация теплообмена на внешней стороне трубок при пленочной конденсации водяного пара, однако при обработке результатов ей пренебрегали. Коэффициент теплопередачи для данного теплообменника оказался 1,28 раза выше по сравнению со стандартным пароводяным подогревателем, а коэффицент гидравлического трения потоком охлаждающей воды поднялся в 2,1 раза.

Врезультате экспериментов был сделан вывод, что использование олуненных трубок в пароводяном подогревателедаёт возможность повысить коэффициент теплопередачи на 28%, тем самым уменьшить на четверть количество

установленных типовых агрегатов, увеличив стоимость каждого только на 1012%.

Литература

1. Кесарев, В. С. Структура течения и теплообмен при обтекании полусферического углубления турбулизированным потокомвоздуха / В.С. Кесарев, А. П. Козлов // Вестник Московского государственного технического универстета. Серия Машиностроение.–1993. –№1. –С. 106-115.

2. Теплообмен при самоорганизации смерчеобразных структур / И.А. Гачечиладзе, Г.И. Кикнадзе, Ю.К. Краснов и др. // Тепломассообмен: Минскиймеждународный форум.–Минск,1998. –С. 83-125.

3.Афанасьев, В. Н. Экспериментальное исследование структуры течения в одиночной впадине / В.Н. Афанасьев, Я.П. Чудновский // Вестник Московского государственного технического университета. Серия Машиностроение. – 1993.–№1.–С. 85-95.

4.Механизмы самоорганизации смерчеобразных струй при обтекании

трехмерных вогнутых рельефов / Г. И. Кикнадзе, И. А. Гачечиладзе, В. Г. Олейников и др.// Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потках: труды Второй Российской конференции. – Москва: ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», 2005.–С. 104.

40

5.Интенсификация массо- и теплообмена (обзор полученных результатов) / Г.И. Кикнадзе, Ю. К. Краснов, Ю.В. Чушкин и др. – М.: ЦНИИатомин-

форм 1987. –57 с.

6.Хабибуллин, И. И. Интенсификация теплообмена двухполостными диффузорными выемками: автореф. дис.канд. тех. наук (01.04.14– Теплофизика

итеоретическая теплотехника) / И.И. Хабибуллин; рук. работы А.В. Ильинков.

–Казань, 2016. –124 с.

7.Кикнадзе, Г. И. Самоорганизация смерчеобразных вихревых структур в потоках газов и жидкостей и интенсификация тепло- и массообмена:препринт ИФТ СО АН СССР / ГИ. . Кикнадзе, В.Г. Олейников; ИФТ СО АН СССР.– Новосибирск,1990. –45 с.

8.Ануров, Ю.М. Эффективные методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин: автореф. дис.докт. техн. наук (05.04.12–Турбомашины и комбинированные турбоустановки) / Ю.М. Ануров.–СПб: компания «Энергомаш (ЮК) Лимитед», 2005. –36 с.

9.Афанасьев, В. Н. Самогенерация вихрей как метод интенсификации теплообмена / В. Н. Афанасьев, Я. П. Чудновский // Тепломассообмен: Минский международный форум. – Минск, 1988. – С. 8-9.

10.Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена: монография /Ю. Ф.Гортышов, И. А. Попов, В. В. Олимпиев и др.–Казань: Центр инновационных технологий, 2009. –531 с.

11.Дилевская, Е. В. Вихревая интенсификация теплообмена– нетрадиционный способ повышения энергоэффективности охладителей силовых электронных устройств/ Е. В. Дилевская, С. И. Каськов. – М.: МГТУ им. Н. Э. Бау-

мана, 2005.–3 с.

12.Повышение эффективности теплообменных аппаратовпри применении олуненных теплообменных труб. – Электрон. дан. Режим доступа: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2995.

41