2.2.2 Перспективные методы интенсификации теплообмена при свободной конвекции в секционных конвекторах.

Все методы интенсификации как вынужденной, так и свободной конвекции, делятся на пассивные и активные.

Для процессов свободной конвекции в секционных конвекторах типа «Универсал», активные методы, связанные с использованием механических средств (вибрация, вращение поверхностей, использование электрических полей, вдув газа через пористую поверхность и т.п.), не являются актуальными.

До сих пор считалось, что пассивные методы, за исключением широко распространенного способа, основанного на применении развитых поверхностей, мало что могут дать для интенсификации теплообмена при свободной конвекции. Хотя методы конструирования единичных и цепочек ребер уже давно хорошо известны, однако почти не уделялось внимания прерывистым развитым поверхностям.

Как показывают исследования последних лет, именно использование прерывистых развитых поверхностей выдвигается на первый план среди пассивных методов интенсификации теплообмена при свободной конвекции. И связано это с тем, что повторное нарастание тепловых слоев на прерывистой поверхности нагрева увеличивает коэффициенты теплоотдачи существенно больше, чем требуется для компенсации площади, теряемой при такой организации поверхности.

Существенное увеличение теплоотдачи на вертикальном квадратном ребре конвектора и соответственно уменьшение поверхности его нагрева может быть достигнуто за счет правильного выбора межреберного расстояния и правильной организации движения воздуха в межреберном пространстве. Однако следует отметить, что такой способ интенсификации должен быть обоснован технико-экономическим расчетом и соображениями удобства монтажа и эксплуатации конвектора. Как показывают предварительные расчеты, уменьшение поверхности нагрева плоских ребер при их раздвижении приводит примерно к такому же увеличению длины несущей трубы. При этом возрастает общая площадь поверхности, занимаемой конвектором, усложняется монтаж.

Проблеме интенсификации теплообмена при естественной конвекции посвящены работы [89, 96]. В работе [89] проведено теоретическое и экспериментальное исследование условий теплообмена на вертикальной поверхности с непрерывным и дискретным оребрением при ламинарном свободно-конвективном течением внешнего теплоносителя.

A) Математическая модель теплообмена в конвекторе

1. Непрерывное оребрение.

Анализ течения и теплообмена между соседними ребрами при симметричных граничных условиях показывает, что можно выделить три участка поверхности с различными условиями течения: I – область формирования пограничного слоя (п.с.), II – область смыкания п.с., III – область развитого течения (рисунок 56).

Для расчета теплопереноса в области I может быть использован интегральный метод расчета ламинарного п.с. с произвольным распределением температуры на поверхности:

Рисунок 56 - Расчетная схема для непрерыв-ного оребрения

, (96)

где x – текущая координата; T – произвольная температура поверхности; – температура внешнего теплоносителя; – локальный коэффициент теплоотдачи при T = сonst.

В области II расчет проводится также по формуле (1), но вместо должна использоваться температура – температура жидкости в области смыкания п.с.

В области III:

, (97)

где – температура жидкости в области развитого течения.Для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи, тепловых потоков, распределения температуры и эффективности оребрения необходимо численно решить уравнение переноса теплоты в ребре:

, (98)

г

Рисунок 57 - Зависимость числа от для поверхностей с непрерывным оребрением

де – усредненное значение температуры по толщине ребра  и рассчитывается по уравнениям (96, 97).

В [89] показано, что для заданных значений параметра существует определенный диапазон изменения чисел , обусловленный различием условий течения и теплообмена в межреберных каналах (заштрихованная область) на рисунке 57.

2. Дискретное оребрение.

В

Рисунок 58 - Расчетная схема для дискретного оребрения

виду того, что на поверхности ребер имеется смешанно-конвективное течение (рисунок 58), локальные коэффициенты теплоотдачи на их поверхности определяются по формуле:

. (99)

Плотность теплового потока, отводимого с поверхности ребра:

, (100)

где индексы «см», «с», «в» относятся соответственно к смешанному, свободно-конвективному и вынужденному течению; – температура жидкости во внешнем течении возле ребра. Расчет такой же, как и в случае непрерывного ребра. Расчет для ламинарного п.с. в случае вынужденных течений подробно изложен в литературе, см., например, [9].

В результате расчета локальных и интегральных характеристик характеристик теплообмена по модели (98-100) сделан вывод о том, что интенсификация теплообмена исследуемой системы повышается с уменьшением высоты L, ширины ребер и увеличением температурного напора .

б) Результаты экспериментального исследования

В работе [89] выполнено экспериментальное исследование теплоотдачи вертикальных поверхностей со стальными прерывистыми ребрами.

Сравнительный анализ расчета и эксперимента показывает, что дискретизация оребрения позволяет интенсифицировать процесс теплопереноса для чисел >2000 в 1,5–1,6 раза (рисунок 59).

В

Рисунок 59 - Зависимость от : 1 – опыт; 2 – расчет

работе отмечается, что при значительных вертикальных размерах условия теплоотдачи дискретных ребер, расположенных у верхней кромки (рисунок 60а), значительно ухудшаются из-за прогрева теплоносителя и уменьшения температурного напора на этих участках. Поэтому в работе предложены новые типы оребренных поверхностей с наклонным дискретным оребрением, специальное расположение которого позволяет устранить указанный недостаток. Наличие наклона дискретных ребер и применение длинных вертикальных ребер между ними (рисунок 60б, в), либо специальное расположение рядов наклонных ребер (рисунок 60г) обеспечивает подвод холодного теплоносителя ко всем ребрам независимо от их расположения по высоте оребренной системы. При этом нагретый теплоноситель отводится в каналы, расположенные между верхними кромками наклонных ребер для конфигурации, представленной на рисунке 60г. На основе анализа результатов работ [89, 90, 96] была разработана специальная конструкция вертикаль-ных дискретных ребер для промышленных конвекторов, представленная на рисунке 61. Для определения оптимальных параметров оребрения, необходимо экспериментальное исследование теплоотдачи на таких ребрах, что позволит также учесть возможную несимметричность граничных условий математической модели (96-100).