Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СО СФЕРИЧЕСКИМИ ВЫСТУПАМИ

4.1.Краткий анализ исследований гидродинамики и теплообмена

вканалах со сферическими выступами

Исследование гидравлического сопротивления и теплоотдачи проведен в ограниченном количестве работ. В данной работе рассмотрены работы И.И.Федорова [1–4], С.Д.Хванга и Х.Х.Чо [5], М.А.Готовского, М.Я.Беленького и Б.С.Фокина [6], М.Х.Ибрагимова, В.И.Субботина и др. [7], Легкого В.М., Бабенко Ю.А. и Дикого В.А. [8], О.Н.Миронова [9], К.Л.Мунябина [10], A.Беркоуна и Т.Т.Эль–Шеммери [11], Тэйлора [12], П.Л. Кириллова и др. [15].

Объектами исследования в работе И.И.Федорова [1] служили пакеты из тонких (0,5 мм) пластин из стали 08 с отштампованными выступами сферической формы, шахматного и коридорного расположения. Две пластины, наложенные друг на друга и пропаянные по отбортованным кромкам, образуют пакет с фланцами для крепления во внутренней полости теплообменника. Пакеты имеют щелевой прямоугольный канал с выступами размером 2,5×145×475 мм для пластин со сферическими выступами. Другие параметры исследованных каналов приведены в табл.4.1.

Сферические выступы но форме совпадают с шаровым сегментом диаметром основания 6,5 мм. При изготовлении пакета выступы одной пластины опираются на плоские участки между впадинами другой. Таким образом создается большое число точек опоры, позволяющее воспринимать значительное внешнее давление без искажения проходных сечений по длине проточной части канала.

В основу экспериментальной установки положен теплообменник из двух стальных цилиндров, эксцентрично вставленных друг в друга и образующих герметично изолированные внутреннюю и внешнюю (теплоизоляционную) полости. Обе полости на одну треть залиты дистиллированной водой, нагрев которой до кипения и поддержание постоянного давления пара, равного во всех опытах и режимах – 0,5 бар избыт., производился электронагревателями. Обогрев стенок пакета осуществлялся паром. Давление пара, как минимум, всегда на 0,1–0,15 бар превышало давление воздуха, протекающего по каналу пакета.

372

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Доводка установки, отработка системы измерительных приборов и методики экспериментов осуществлялась путем испытания гладкого щелевого канала с Dэкв=7,01 мм. Результаты с высокой точностью (1,7%) совпали с общепринятой критериальной зависимостью М.А.Михеева для оценки коэффициентов теплоотдачи в трубах и щелевых каналах в области развитого турбулентного течения.

Опыты проводились при постоянных температурах стенки (383°К) и воздуха на входе в канал и при стационарном тепловом режиме. Каждый канал исследован в среднем на 30–35 режимах, охватывающих числа Rе от 1000 до

23000.

Таблица 4.1.

Параметры исследованных каналов [1]

Результаты обработки для каждого вида расположения и геометрической формы выступов представлены зависимостями:

В этих зависимостях коэффициент теплоотдачи отнесен к площади плоской поверхности (без учета развития поверхности выступами). Среднерасходная скорость определялась по узкому сечению канала. В качестве определяющей температуры выбрана средняя температура воздуха, вычисленная как разность между температурой стенки и среднелогарифмическим температурным напором. Коэффициент сопротивления приведен к изотермическим условиям. Для этого из общего сопротивления, найденного при горячих испытаниях, вычиталось сопротивление, вызванное ускорением потока воздуха в связи с его нагревом.

373

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Исследование каналов со сферическими выступами расширяет и дополняет исследования В.Г.Фастовского, Ю.В.Петровского и И.Т.Эльперина. В то же время, оно позволяет оценить теплоотдачу каналов α более широком интервале переменных и с большей точностью как при шахматном, так и при коридорном расположении выступов.

Проведенные эксперименты позволили установить, что поперечный шаг выступов (S1) на теплоотдачу и сопротивление влияет более интенсивно, чем продольный (S2). Сущность явления заключается в следующем. При уменьшении поперечного шага увеличивается число продольных рядов выступов, омывая которые, поток разделяется на отдельные сильно турбулизированные струйки. Степень турбулентности потока резко возрастает. Соответственно растет теплоотдача и еще более резко увеличиваются гидравлические потери. Изменение продольного шага в меньшей степени влияет на турбулентность – в итоге меньший прирост коэффициентов теплоотдачи и сопротивления.

При равных условиях замена шахматного расположения на коридорное влечет за собой уменьшение коэффициентов теплоотдачи и сопротивления. Для сферических выступов такая замена приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи в среднем на 10–15%.

В работе С.Д.Хванга и Х.Х.Чо [5] проведены исследования теплообмена и гидросопротивления в плоском канале со сферическими выступами на противоположных стенках при течении воздуха. Определение локальных коэффициентов теплоотдачи проводилось с использованием термического жидкокристаллического покрытия. Сферические выcтупы в исследования располагались в шахматном порядке, в углах равнобедренного треугольника со сторонами 15 мм (рис.4.1). Высота выступа составляла Нр=3,75 мм, диаметр выступа в основании D=12,99 мм (диаметр образующей сферы D=15 мм), высота канала составляла H=15 мм, что обеспечивало относительную высоту выступов 2Hр/D=0,5 и относительную высоту канала H/D=1,15.

Рис.4.1. Схема исследованной поверхности со сферическими выступами.

375

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

При наличии сферического выступа на поверхности, основной поток натекает на переднюю кромку выступа и обтекает его с формированием подковообразного вихря. С тыльной стороны выступа

формируется застойная зона. Данная картин течения в последствие позволяет объяснить авторам работы [5] распределение локальных коэффициентов теплоотдачи.

На рис.4.3 показано распределение локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхности со сферическими выступами при течении воздуха

(Re=l0000). Пунктирные окружности показывают границы выступов. Вследствие набегания потока на препятствие и воздействия вихревых структур от предыдущего препятствия, на передней кромке выступа происходит обновление пограничного слоя и теплоотдача здесь максимальна.

На тыльной стороне выступа вследствие наличия застойной зоны, коэффициенты теплоотдачи минимальны. Это же наблюдается и на поверхности за выступом.

Рис.4.4. Распределения локальных коэффициентов теплоотдачи вдоль и поперек выступа по центральным осям [5]

376

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

На рис.4.4 более подробно рассмотрено распределение коэффициентов теплоотдачи на выступе и за ним. Максимум коэффициентов теплоотдачи приходится на точку с координатами x/D = –0,4 и y/D=0 в зоне с минимальной толщиной погранслоя и центра формирования подковообразного вихря. В поперечном сечении высокие значения коэффицинтов теплоотдачи приходятся на зоны с координатами x/D= ±0,5 вследствие воздействия на течение в этих зонах подковообразного вихря.

Интенсификация средней теплоотдачи в канале с выступами в работе [5] составляет приблизительно 3.7 раза по сравнению с гладким каналом. При этом коэффициент гидравлического сопротивления увеличился в 20 раз.

В работе О.Н.Миронова [9] Экспериментально исследовано турбулентное течение воздуха в квадратном канале с одной оребренной полукруглыми выступами стенкой. Цель эксперимента заключалась в исследовании влияния оребрения на коэффициенты сопротивлениями теплоотдачи о диапазоне чисел Рейнольдса от 2,3·104 до 1,5·105 , что характерно для теплообменников и для внутреннего охлаждения лопаток турбин. Высота выступов и шаг расположения ребер выбирались из условия минимального возрастания коэффициента сопротивления при максимальной увеличении коэффициента теплоотдачи. В данном случае они составляли h/Dг=0,0813 и t/h=12,5, где h=4 мм – высота выступа, Dг=2F/П=В=8 мм, Dг – гидравлический диаметр, t – шаг расположения выступов, В – ширина канала, А – площадь поперечного сечения канала, П – периметр. Оребрение выполнено на нагреваемой пластине, закрепленной на верхней стенке канала.

Исследование канала проводилось ни присоединенное воздухопроводе для довольно короткого канала L/Dг=7,9, где L=300 мм – длина канала без учета сопла.

Данные по коэффициенту трения в оребренном сферическими выступами канале приведены в табл.4.2, где Cfcр – осредненный коэффициент трения в канале с одной оребренной сферическими выступами поверхностью, Сfор – коэффициент трения на поверхности оребренной сферическими выступами, Сfгл

– коэффициент трения на гладкой поверхности.

Из рис.4.5 видно, что для пластины с оребрением наблюдается падение, а затем резкое возрастание местного коэффициента теплоотдачи приблизительно в середине промежутка между ребрами. Такое поведение можно объяснить

377

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

присоединение оторвавшегося на полукруглом ребре потока воздуха к стенке в промежутке между соседними ребрами.

Кроме местного коэффициента теплоотдачи для промежутка между ребрами был определен и средний коэффициент теплоотдачи. Для пластины с ребрами в промежутке Х/В= 5,625–6,666 без учета потерь в стенку средний коэффициент теплоотдачи оставляет 70,7 Вт/м2К, а для гладкой

пластины 54,6 Вт/м2К. Таким образом, Рис.4.5. Распределение местного сравнения коэффициентов теплоотдачи коэффициента теплоотдачи на для пластины с оребрением и без него поверхности с выступами [9] следует, что средний коэффициент

теплоотдачи при наличии оребрения на 30% больше. чем для гладкой пластины.

В работе М.Х.Ибрагимова, В.И.Субботина и др. [7] представлены зависимость от числа Рейнольдса коэффициентов гидравлического сопротивления в шероховатых трубах, в том числе со сферическими выступами

(рис.4.6).

Параметры исследованных труб с шероховатостью в виде сферических выступов приведены в табл.4.3.

378