Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Монография Попов т3

.pdf
Скачиваний:
250
Добавлен:
22.03.2016
Размер:
26.56 Mб
Скачать

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Nu=0,04 Re0,8 Pr0,4,

(3.6)

при Re=3 103...7 103:

Nu=0,0068RePr0,4. (3.7)

 

 

По данным А.В.Туркина [48], сфериче-

 

 

ские выемки интенсифицируют теплоотдачу

 

 

при Re=7 103 ... 2,2 104 примерно на 60...70%,

 

 

а при Re=3,5 103 в среднем на 35%.

 

 

В

работе

М.Я.Беленького,

 

 

М.А.Готовского и др. [57,58] для эксперимен-

 

 

тального исследования тепловых характери-

Рис.3.131. Влияние

числа

стик теплообменных поверхностей, формо-

ванных

сферическими

выемками, использо-

Рейнольдса на теплоотдачу в

вался обогреваемый кольцевой канал с глад-

плоском щелевом канале со

сферическими выемками по

кой наружной трубой с внутренним диамет-

данным А.В.Туркина [48]: 1

ром 30 и 27 мм и набором внутренних труб с

– аппроксимационная

фор-

выемками. Наружная и внутренняя трубы

мула (3.6); 2 – формула (3.7);

могли обогреваться путем непосредственного

3 – гладкий канал

 

пропускания переменного электрического то-

ка. Нанесенный на поверхность трубок рельеф характеризовался следующими параметрами: диаметр выемок D=4,5 мм; шаг выемок S=10 мм – коридорное расположение (трубка №3); S1=S2=5 мм – шахматное расположение (трубки №№1, 2, 4); глубина выемок h=0,45 мм (трубки №1–3), h=0,9 мм (трубка №4). Кроме того, участки с мелкими выемками изготавливались в двух вариантах – без скругления кромок выемки и со скруглением. Из исследованных трубок скругленные кромки имела трубка № 2. Величина кольцевого зазора менялась, с учетом разброса наружных диаметров трубок с выемками, от 3,6 до 1,65 мм.

В опытах определялась как теплоотдача от наружной поверхности внутренней трубы, так и от внутренней поверхности наружной трубы.

На рис.3.132 обработка полученных опытных значений коэффициентов

теплоотдачи для всех вариантов внутренней поверхности кольцевого зазора дана в безразмерной форме: Nu(Tстп)-0,55:=f(Rе).

При обработке экспериментальных данных использовались значения коэффициента теплоотдачи, полученные в конце участка с выемками или гладкого участка трубки, т. е. там, где имели место стабилизированные условия. Поправка на неизотермичность вводилась в той же форме, что и для гладкой поверхности, хотя в принципе на поверхности с выемками закономерность может быть иная. Для выявления этой закономерности необходимо

199

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

проведение специальных опытов, в которых бы широко варьировалась тепловая нагрузка.

В опытах поправка па неизотермичность была невелика и ее использование в указанной форме для исследованного диапазона тепловых нагрузок оказалось приемлемым.

 

На рис.3.132 приведены данные для

 

трубок №1–3 в зазоре с наружным диамет-

 

ром Dвн=30 мм, а также трубок № 2, 4 в за-

 

зоре с Dвн=27 мм. Кроме того, приведены

 

данные для участков гладкой трубы при

 

тех же двух значениях Dвн.

 

Из сопоставления приведенных на

 

рис.3.132 данных видно, что рост количе-

 

ства выемок привел к росту теплоотдачи, а

 

обработка кромок выемок почти не изме-

 

нила теплоотдачу. Уменьшение величины

 

зазора не привело к заметному росту теп-

Рис.3.132. Результаты опытов

лоотдачи, как этого можно было ожидать

из энергетических соображений. Зато уг-

по исследованию теплоотда-

лубление выемок увеличило теплоотдачу

чи: наружная трубка Dвн=30

при той же плотности расположения вы-

мм, внутренняя трубка (1 –

емок на ~20–25%. Максимальный рост те-

гладкая; 2 – №1, 3 – №2; 4 –

плоотдачи па поверхности с выемками по

№3); наружная трубка Dвн=27

сравнению с гладкой составил ~2,4 раза.

мм, внутренняя трубка (5 –

В работе И.Л.Шрадера, А.А.Дашчяна

гладкая, 6 – №2, 7 – № 4)

и М.А.Готовского [54] произведено срав-

 

нение опытных данных по внутренней те-

плоотдаче, полученных на трубах со сферическими выемками и на гладких трубах. Стендовая установка представляла собой «трубу в трубе». По внутренней трубе пропускался воздух, предварительно нагретый в электронагревателях. Его охлаждение осуществлялось водой, протекавшей в кольцевом зазоре между трубами. Температура воды в опытах практически не изменялась и находилась в пределах 10... 15 °С. Опыты выполнились в диапазоне чисел Re=7000–21000.

Опытные данные были аппроксимированы следующими критериальными зависимостями:

– «мелкие» выемки на внутренней поверхности

Nu=0,0139 Relm Pr0,4 ;

– «мелкие» выемки на внешней поверхности

Nu=0,00988 Rem2 Pr0,4 ;

200

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

«глубокие» выемки на внутренней поверхности

 

Nu=0,00741 Re3m Pr0,4 .

 

Опытные данные по

 

внутренней

теплоотдаче

 

труб с выемками по отно-

 

шению к гладким трубам

 

представлены

на

Рис.3.133. Степень интенсификации теплооб-

рис.3.133. Как видно из

рисунков, нанесение вы-

мена в зависимости от Rе [54]: 1 — мелкие

емок на поверхности при-

выемки на внутренней поверхности; 2 — мел-

водит к интенсификации

кие на внешней поверхности; 3 — глубокие на

теплообмена во всех ис-

внутренней поверхности

следованных

типах труб.

 

Вместе с тем при одина-

ковой глубине выемок их расположение на внешней поверхности (выступы – на внутренней) приводит к большему эффекту по сравнению с внутренним расположением. Углубление внутренних выемок также усиливает интенсификацию теплообмена. Как показывают проведенные исследования, тепловая эффективность труб с выемками увеличивается при больших числах Рейнольдса. Так, при Re=21000 степень интенсификации внутренней теплоотдачи достигает 1,33, в то время как при Rе=7000 она не превышает 1,18. При этом в большей степени от Rе зависит внутренняя теплоотдача наиболее интенсифицированных типов труб с выемками.

Работа М.А.Готовского, М.Я.Беленького и Б.С.Фокина [59] посвящена изучению теплогидравлических характеристик при течении воздуха в круглой обогреваемой трубе с регулярным рельефом на поверхности теплообмена. Как указывалось в разделе по исследованию гидросопротивления, изготовленные для проведения экспериментов трубы имели наружный диаметр 40 мм и толщину стенки 1,5 мм. При этом для проведения опытов использовались 4 участка трубы, каждый из которых имел длину примерно 2 м. На листы, из которых сваривались трубы, был нанесен рельеф, представлявший собой правильную систему сферических выемок диаметром около 4 мм и глубиной 0,5 - 0,6 мм. Однако, в процессе формирования цилиндрической стенки трубы выемки деформировались за счет смятия их донной части, которой соответствуют вершины ответных сегментных выпуклостей, образовавшихся на другой стороне листа.

В качестве базы для сопоставления данных по теплоотдаче с гладкой трубой использовались известные рекомендации, построенные на основе известной формулы Б.С.Петухова и .В.В. Кириллова:

201

Рис.3.134. Опытные данные по теплоотдаче: – выемки на внутренней поверхности [59]

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Nu =

(ξ/ 8) Re Pr Ct

 

 

 

 

 

1+900 / Re+ ξ0,5 (Pr2 / 3 1)

 

 

 

 

с поправкой на неизотер-

 

мичность

 

)0,5 .

 

C

t

= (T / Т

пот

 

 

 

ст

 

Опыты были проведены в интервале чисел Рейнольдса Re=(15– 80)103.

На рис.3.134 представлены данные по теплоотдаче в упоминавшейся уже относительной

форме. Как видно из приведенных данных интенсификация теплоотдачи по сравнению с гладкой трубой составляет в среднем величину порядка 40–45 %.

В работе Р.С.Банкера и К.Ф.Доннеллан [90] проведены экспериментальные исследования теплообмена в алюминиевых трубах с различными компоновками нанесения сферических выемок на поверхности с помощью жидкокристаллической термографии. Схема исследованных труб представлена на рис.3.135. Исследованные трубы имели внутренний диаметр D=3,81 см. Размеры наносимых на внутреннюю поверхность трубы выемок представлены в табл.3.6. Исследования проведены при относительных размерах канала и интенсификаторов – отношение диаметра выемки d к диаметру трубы d/D=0,229 и 0,271, отношение глубины к диаметру выемки h/d=0,233 и 0,394, плотность нанесения выемок f, определенная как отношение проецируемой области поверхности выемок ко всей внутренней поверхности трубы,

от 0.339 до 0,704.

Рис.3.135. Внешний вид и схема расположения интенсификаторов

202

Результаты исследования теплоотдачи в каналах с различными геометриями нанесения сферических выемок представлены на рис.3.136. Для сравнения на график зависимости теплоотдачи от числа Рейнольдса нанесены данные для пустой гладкой трубы (f=0 и d/D=0). По сравнению с ней наиболее легко определить уровень интенсификации теплообмена за счет нанесения выемок.
При наименее плотном расположении выемок f=0.339 и самой малой глубине выемок d/D=0.229 (h/d=0.233) характер изменения теплоотдачи в канале от числа Рейнольдса практически индентичен наблюдаемому в гладкой трубе, однако значения коэффициентов теплоотдачи несколько выше (в 1,25 раза). При увеличении плотности нанесения выемок (f>0.4) наблюдается увеличение зависимости теплоотдачи от Re. Здесь Nu~Re0.82. Данная зависимость Nu от Re справедлива для случаев f>0.4 при мелких выемках
(d/D0.229). Самые высокие значения Nu наблюдаются при d/D=0.271 (h/d=0.394). Здесь справедлива корреляция
Nu=0,033Re0.83Pr0.33. Получен-
ные данные базируются на коэффициенте теплоотдачи, рассчитанном по площади гладкой поверхности труб. Нанесение выемок увеличивает поверхность теплообмена. Однако практический интерес при использовании интенсификаторов заключается, по мнению авторов, в интенсификации теплообмена как за счет развития поверхности, так и за счет воз-
Рис.3.136. Зависимость числа Нуссельта действия на структуру потока. от числа Рейнольдса для всех исследованСравнение по уровню ных геометрий труб [90] интенсификации теплоотдачи
203

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

 

Параметры каналов и интенсификаторов

Таблица 3.6.

 

 

 

№ трубы

D, мм

d, мм

h, мм

h/d

d/D

 

f

2

38.1

10.312

4.064

0.394

0.271

 

0.704

6

38.1

10.312

4.064

0.394

0.271

 

0.582

4

38.1

8.738

2.032

0.233

0.229

 

0.506

3

38.1

10.312

4.064

0.394

0.271

 

0.473

5

38.1

8.738

2.032

0.233

0.229

 

0.418

1

38.1

8.738

2.032

0.233

0.229

 

0.339

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

показало, что мелкая и наименее плотно расположенные выемки обеспечивают интенсификацию теплоотдачи около 1.25 раз практически во всем диапазоне исследованных чисел Rе. Увеличение плотности нанесения выемок увеличивает интенсификацию до 1.6-1.7 раз. Увеличение относительной глубины выемок приводит к уровню интенсификации теплоотдачи около 2 раз.

Установлено, что параметр плотности f особенно существенно влияет на интенсификацию теплоотдачи при f=0,3…0,5, при увеличении f более 0,5 эффект интенсификации незначителен. Дальнейшая увеличение интенсификации теплообмена возможно только за счет увеличения относительной глубины выемок.

Приведенные в работе Р.С.Банкера и К.Ф.Доннеллан [90] данные по теплоотдаче соответствуют зависимости Nu~Re0.86f0.5 (рис.3.137). Зависимость Nu от параметра d/D (или h/d) авторы не установили из-за недостаточности данных по теплоотдаче при различных значениях d/D.

Рис.3.138. Зависимость коэффициРис.3.137. Зависимость числа Nu от ента трения F от числа Рейнольдса комплекса Re0,86f0,5

Зависимость коэффициента трения F от режимных и конструктивных параметров приведено на рис.3.138. Тестовые опыты по трению в гладкой трубе получились несколько (на 25%) выше, чем расчетные данные по уравнению Блазиуса (F=0,079Re-0.25). Эта разность приписана погрешности измерения расхода и перепада давления на трубе. Для формованных выемками труб коэффициент трения наиболее большой при более глубоких выемках (d/D=0.271). При этом влияние плотности расположения выемок практически нет. Для мелких выемок и наименьшей плотности выемок коэффициент трения самых низкий. Увеличение плотности нанесения мелких выемок приводит к росту коэффициента трения. При использовании мелких выемок изменение относительного коэффициента трения (отнесенного к значению, полученного на основе расчета по уравнению Блазиуса) от числа Rе относительно

204

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

мало (2-3 раза), в то время для глубоких выемок эта зависимость довольно сильная. Здесь наблюдается увеличение относительного коэффициента трения в 4-7 раз при изменении числа Re от 20000 до 90000.

В работе Р.С.Банкера, М.Готовского, М.Беленького и Б.Фокина [91] проведены экспериментальные исследования теплообмена и течения в прямом и сужающемся/расширяющемся плоском канале с различными компоновками нанесения сферических выемок на одну из поверхностей канала. Схема исследованных каналов представлены на рис.3.139. Размеры наносимых выемок: диаметр выемки D=3,3 мм, глубина выемки d=0,75 мм, межцентровое расстояние p=0,43 и 4,8 мм, расположение выемок – коридорное. Указанные размеры обеспечивали относительные размеры канала и интенсификаторов – отношение глубины к диаметру выемки d/D=0,233 и 0,394, плотность нанесения выемок, определенная как отношение проецируемой области поверхности выемок ко всей внутренней поверхности трубы, f =0.442, относительную высоту канала D/H=1.

Рис.3.139. Схема канала с системой сферических выемок [91]

Рис.3.140. Распределение чисел

Рис.3.141. Распределение чисел Нус-

Нуссельта для ссужающегося кана-

сельта для расширяющегося канала

ла [91]

[91]

На рис.3.140 показана зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса в ссужающемся канале с полусферическими выемками. Поток слева направо. Верхняя линия на этом графике – данные Чу и др. [62] для прямого

205

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

канала с выемками при d/D=0,30 и f=0,477. Нижняя пунктирная линия – данные для турбулентного полностью развитого течения в гладком канале (Nu=0,022Re0,8Pr0,5 [92]). На рис.3.141 показаны соответствующие данные для расходящегося канала. Теплообмен при высоких значениях числа Rе показаны более подробно на рис.3.142 и 3.143. Авторы отметили, что практически во всем диапазоне чисел Re наблюдается местные повышения теплоотдачи относительно исходно гладкой поверхности.

Рис.3.142. Распределение чисел

Рис.3.143 Распределение чисел Нус-

Нуссельта для ссужающегося кана-

сельта для расширяющегося канала

ла [91]

[91]

В. Афанасьев и др. [20,93–96] опубликовали результаты исследований теплообмена в прямоугольном канале (H/D=10,7...17,7) для многорядной системы мелких углублений (h/D=0,07, h и D – глубина и диаметр выемки, Н –

высота

канала), расположенных

в шахматном порядке

(f=0,25...0,70)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис.3.144). Исследования показали ин-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тенсификацию теплообмена Nu/Nu0 от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,35 до 1,40 при незначительном увеличе-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нии потерь давления по сравнению с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гладким каналом. Измерения в погранич-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ном слое показали, что не обнаружено

Рис.3.144. Влияние числа «теп-

различий в профиле скорости на плоской

пластине и гладкой поверхности в про-

лового» Рейнольдса на тепло-

странстве между выемками. Это в неко-

отдачу

около

поверхности

со

торой степени объясняет отсутствие до-

сферическими

выемками

по

полнительных потерь давления на по-

данным

 

 

В.Н.Афанасьева

 

и

верхности с углублениями.

Однако, рас-

Я.П.Чудновского [20,93–96]:

 

 

 

пределение температуры в пограничном

 

 

 

– f=0,3;

 

 

f=0,5;

 

– f=0,7,

 

 

 

 

 

 

слое «сепарируется» в соответствии с ве-

 

 

 

h/D=0,5; 1 – стандартный закон

личиной плотности углублений f, что ука-

теплообмена

 

 

 

 

 

 

зывает на увеличение теплообмена с рос-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

206

 

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

том параметра f.

В работе [97] приводятся экспериментальные данные по среднему теплообмену и потерям давления в узком прямоугольном канале (Н=2,1 мм, H/D=0,175) со сферическими углублениями (острая кромка). От 13 до 17 рядов углублений были расположены в шахматном порядке и симметрично на обеих поверхностях канала. Диаметр углублений на поверхности составлял D=12 мм, глубина h=2,4 мм (h/D = 0,2), а плотность углублений f=67%, 55% и 40%. Хотя число Рейнольдса ReH изменялось от 770 до 26500, оно соответствовало области турбулентного режима (Nu~Re0,8). Приведенное число Нуссельта Nu/Nu0 существенно зависит от числа Рейнольдса. При f=67% отношение Nu/Nu0 достигало максимума 3,7 при ReH=24000 (ReD=68570), для той же плотности углублений в области ReH<11000 (ReD=31430) интенсификация теплообмена превышала рост сопротивления трения ξ/ξ0. Для ReH>11000 отношения Nu/Nu0 и ξ/ξ0 примерно равны. При f=55% и 40% интенсификация теплообмена превышает рост сопротивления до

ReH=5000...6000 (ReD=14230...17140). В этом случае максимальные значения

Nu/Nu0=2,3 и 2,05 были достигнуты при

ReH=2500 (ReD=7115) для f=55% и 40%,

 

 

соответственно.

 

 

 

 

 

В

работе

А.А.Александрова,

 

 

Г.М.Горелова [32] и др. приведены ре-

 

 

зультаты экспериментального исследова-

 

 

ния эффективности

теплопередающей

 

 

поверхности с турбулизаторами в виде

 

 

расположенных

в шахматном

порядке

 

 

сферических углублений – выемок, а

 

 

также сравнение результатов прибли-

Рис.3.145. Зависимость

числа

женных расчетов с данными этих экспе-

Нуссельта от числа Рейнольдса

риментов. Геометрические размеры ис-

[46]: 1 – гладкий канал; 2 – рас-

следованной поверхности показаны на

чет по формуле для гладкого

рис.3.85.

 

 

 

 

канала с учетом коэффициента

На рис.3.145 показан уровень теп-

гидравлического сопротивле-

лоотдачи в рассматриваемом канале в

ния, рассчитанного с учетом

сравнении с гладким каналом Кривая 1 –

шероховатости; 3 – экспери-

гладкий канал. Кривая 2 – расчет по

мент для шероховатой трубы; 4

формуле для гладкого канала с учетом

– расчет по зависимости для

коэффициента

гидравлического

сопро-

гладкой трубы с учетом эффек-

тивления, рассчитанного с учетом шеро-

тивной шероховатости, соот-

ховатости. Кривая 3 – эксперимент для

ветствующей параметрам

сфе-

шероховатой трубы.

 

 

рических выемок; 5 – экспери-

Кривая 4 на рис.3.145 – расчет по

мент для трубы со сферически-

зависимости для гладкой трубы с учетом

ми выемками

 

эффективной шероховатости, соответст-

 

 

вующей параметрам выемок. Экспери-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

207

 

 

 

 

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ментальные данные по теплообмену для трубы с выемкам можно описать выражением (кривая 5)

Nu = 0,001851Rе1,0665.

Проведенные исследования показывают, что каналы с интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде сферических углублений, можно рассматривать как каналы с искусственной шероховатостью. Расхождение между кривыми 4 и 5 составляет 13% при Rе=104 и 2% при Rе=5·104. Для определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления в них применимы выражения, приведенные в работах [87–89]. Предлагаемый подход к определению тепловых и гидравлических характеристик каналов с выемками позволяет определить необходимую геометрию на стадии проектирования теплообменных аппаратов.

Таким образом показатель степени n в зависимости Nu=ARen по данным различных авторов изменяется в диапазоне от 0,74 до 1,07. При этом подавляющее большинство данных по результатам исследований теплоотдачи в каналах со сферическими выемками аппроксимируются зависимостью Nu~Re0,8. Этот результат справедлив как для отрывных, так и для безотрывных выемок.

В работе К.Л.Мунябин [56] исследование теплоотдачи производилось в кольцевом канале со сферическими выемками на внутренней трубе. Схема экспериментального рабочего участка и его параметры показаны на рис.3.93 и в табл.3.3.

На рис.3.146 приведены зависимости вида Nu/Nu0=f(Re) для образцов №1–11 (табл.3.3). Эффективность этих теплообменных поверхностей определялась в сравнении с эталоном, в качестве которого использовалась гладкая

 

 

труба.

 

 

 

 

 

 

Как и следовало ожи-

 

 

дать, геометрические пара-

 

 

метры

профилирования

в

 

 

значительной мере влияют на

 

 

рост теплоотдачи. С увеличе-

 

 

нием глубины выемок на-

 

 

блюдается резкий рост теп-

 

 

лоотдачи (образцы №5 и 6.

 

 

Самый

большой эффект

в

 

 

кольцевом канале был полу-

 

 

чен

при

испытании

образца

 

 

№6,

которому соответствует

 

 

наибольшая глубина

сфери-

Рис.3.146 Рост теплоотдачи в кольцевом ка-

ческих углублений. Увеличе-

нале со сферическими выемками на внутрен-

ние

параметра глубины в

5

ней трубе [56]. Обозначения в табл.3.3

раз

(сравниваются

образцы

 

 

 

 

 

 

 

208