Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Данные по исследованию коэффициентов гидравлического сопротивления представлены на рис.4.7 и показывают, что нанесение выступов резко увеличивает гидросопротивление труб. Наибольший рост гидросопротивления наблюдается в трубах с шахматным расположением выступов и максимальной плотностью их расположения.

Таблица 4.3. Параметры шероховатости исследованных труб с выступами [7]

Для расчета коэффициентов гидросопротивления на поверхностях с шероховатостью в виде сферических выемок можно воспользоваться также рекомендациями [12,15].

В работе К.Л.Мунябина [10] эксперименты по исследованию гидросопротивления и теплоотдачи в трубах со сферическими выступами проведены на экспериментальной установке, показанной на рис.3.102 Разработанный стенд позволял проводить исследования теплогидравлических характеристик в трубе D1=50 мм с выступами. В соответствии с матрицей планирования было изготовлено одиннадцать труб с различной

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

зависимость Nu/Nu0 в каналах с выступами от параметров самих выступов достаточно неоднозначна (рис.4.8).

изучению теплогидравлических характеристик при течении воздуха в круглой обогреваемой трубе с регулярным рельефом на поверхности теплообмена. 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 трубы был нанесен рельеф, представлявший собой правильную систему сферических выступов диаметром около 4 мм и высотой 0,5 - 0,6 мм.

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

с поправкой на неизотермичность. Указанная поправка для газового теплоносителя имеет вид

Опыты были проведены в интервале чисел Рейнольдса Re=(15–80)103. При этом нижняя граница, как уже упоминалось выше, определялась возможностями замера потерь давления на опытном участке. Опытные данные по теплоотдаче представлены на рис.4.10.

380

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

из сферических выступов и установлено, что имеет место нарушение аналогии Рейнольдса в пользу теплоотдачи, что определяет их высокие показатели эффективности.

4.2. Методологические основы проведения экспериментальных исследований

Для исследования теплообмена и гидродинамики при вынужденной конвекции газа плоского канала с поверхностными интенсификаторами в виде сфероидальных выступов использовались рабочие участки и экспериментальные стенды описанные в п.3.3.1.

При проведении экспериментальных исследований использовались рельефы сферических выступов с острыми кромками, исследовались каналы с двусторонним расположением интенсификаторов. Выступы с острыми кромками наносились на пластины из стали X18H9T толщиной 10 мм. Форма рельефа выступов с острой кромкой показана на рис.4.12. Выступы располагались на поверхности опытных пластин в шахматном порядке.

Все исследования проводились на установившемся стационарном режиме течения и теплообмена. Общий тепловой поток, проходящий через поверхность опытного образца, для контроля точности измерений, определяется двумя путями – по изменению температуры воздуха на входе и выходе из рабочего участка и по значению электрической мощности с учетом потерь. Отличие не

381

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

превышало 7,2%. При определении коэффициента теплоотдачи использовалась полная площадь поверхности с выемками. Если площадь поверхности опытного образца для случая гладкой пластины определяется по формуле Fгл=bL, где b – ширина пластины, L – длина пластины; то площадь поверхности пластины с шахматным расположением выемок определялась как:

где hл – глубина выемки (высота выступа); S1 – поперечный шаг выступов; S2

– продольный шаг выемок (выступов). При этом плотность выступов на поверхности исследуемого образца равна:

f = 2πr2 , 3S1S2

где r – радиус выступа.

Рис.4.12. Форма рельефа выступов с острой кромкой.

При расчетах и обобщении экспериментальных данных использовалась среднерасходная скорость воздуха в рабочем участке, т.е. скорость с учетом заужения канала за счет наличия выемок:

где Hэ – эффективная высота канала, рассчитанная как высота плоского прямоугольного канала с гладкими стенками равного по объему исследуемому каналу с выступами:

382

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

где n1 , n2 – число поперечных и продольных рядов выступов; k=2 – для канала

сдвусторонними выступами; R – радиус сферы, которым формован выступ.

Вкачестве характерных размеров в вычислениях и при обобщениях принимались либо глубина выемок h, либо эквивалентный диаметр канала Dэкв = 4Fк / П, где Fк – площадь поперечного сечения канала, П – смоченный

периметр.

Погрешность определения коэффициента теплоотдачи в экспериментах составляла 6–12%, а коэффициента гидравлического сопротивления – 5–8%.

Полученные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению в каналах со сфероидальными интенсификаторами сравнивались с экспериментальными данными для гладкого канала (турбулентный режим). Результаты квалификационных опытов по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению хорошо согласуются с известными зависимостями для плоского пустого канала. Отклонение опытных данных от расчетной зависимости составляет: по теплоотдаче ± 10%, по гидравлическому сопротивлению ±11%. Расхождение между опытными и расчетными зависимостями может быть объяснено за счет различия условий проведения экспериментов.

Рис.4.13. Сравнение экспериментальных данных (точки) по гидросопротивлению теплоотдаче в каналах со сфероидальными выступами с данными [1] (линии)

Перед началом обсуждения результатов экспериментального исследования были проведены сравнения с ранее полученными данными по поверхностям со сферическими выступами. Выделялась работа И.И.Федорова [1] (рис.4.13). Наблюдалось хорошее совпадение данных, с отклонениями не более ±15%.

383

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

4.3.Гидравлическое сопротивление каналов со сферическими выемками. Влияние основных конструктивных параметров

интенсификаторов

Экспериментальное исследование проводилось в нестесненных каналах прямоугольного сечения шириной 96 мм при варьировании высоты канала в диапазоне от 5 до 12 мм. При следующих безразмерных параметрах интенсификаторов и канала – h/D=0,21÷0,5; h/H=0,125÷0,5; H/D=0,7÷1,68.

На рис.4.14 показано влияние числа Рейнольдса ReD и сравнение полученных данных по гидросопротивлению в каналах со сферическими выступами и без них. При сравнении данных для расчета критериев подобия использовался эквивалентный диаметр канала.

Рис.4.14. Гидравлическое сопротивление в каналах со сферическими выступами. Линии – расчет для гладкого канала, точки эксперименты для канала со сферическими выступами. Обозначения см. в табл.4.5.

Полученные результаты демонстрируют, что:

- в диапазоне малых чисел (порядка ReD= ρwDэкв / µ=1000…2000) увеличение

коэффициента гидравлического сопротивления ξD в стесненном канале достигает максимальных значений – до 20 раз, по сравнению с аналогичным гладким каналом.

- в области турбулентных чисел (порядка ReD= ρwDэкв / µ=4000…30000) для мелких сферических выступов (h/D = 0,21) в стесненных каналах коэффициент гидравлического сопротивления ξD возрастает – до 2 ÷ 2,5 раз. Для относительно высоких сферических выступов (h/D=0,5) коэффициент гидравлического сопротивления ξD возрастает – до 10 раз.

384

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 4.5 Относительные геометрические параметры исследуемых каналов и

сферических выступов, условные обозначения.

Для инженерных расчетов гидравлического сопротивления проведено обобщение экспериментальных данных. При обобщении использованы критерии подобия, рассчитанные через относительную высоту выступа h.

На рис.4.15 представлены все экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению ξh* в каналах со сферическими выступами.

Обобщение экспериментальных данных по гидросопротивлению в каналах со сферическими выступами производилось по уравнению подобия ξh= =ƒ(Reh, h/D, H/D), где в качестве определяющей температуры использовалась

средняя по длине канала температура воздуха tв , а в качестве определяющего параметра – относительная высота сферического выступа h. Согласно

* ξh=ξ·( Dэкв/h) – обобщение по данной методике проведено А.В.Щелчковым, Dэкв – диаметр канала

385

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

результатам экспериментов диапазон значений Reh от 100 до 530 характеризует переходный режим течения.

Во всем диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров при переходном обтекании установлено, что коэффициент гидросопротивления ξh, пропорционален числу Рейнольдса Reh в степени -1, что характерно для

ламинарного режима течения. При обобщении выявлено, что комплекс ξh / Re−h1 пропорционален относительной высоте выступов h/D в степени 4,597; для h/D=0,21÷0,5 с ростом относительной высоты выступов гидросопротивление увеличивается. Комплекс пропорционален относительной

высоте канала H/D в степени –1,853; для h/D=0,21÷0,5. При уменьшение безразмерного параметра – относительная высота канала H/D коэффициент гидросопротивления ξh резко возрастает, при H/D=(1,68…0,7) увеличение ξh до 5 раз. Это объясняется тем, что возрастает стесненность канала, а следствие этого, растет гидросопротивление.

В итоге, результаты экспериментальных исследований переходного отрывного обтекания поверхности со сферическими выступами были обобщены зависимостью:

Зависимость (4.8) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более ±25% при доверительной вероятности 0,95. Зависимости справедливы в диапазоне изменения определяющих параметров – Reh = 20 ÷ 530; H/d=0,7÷1,68; h/D=0,21÷0,5.

Турбулентное отрывное обтекание поверхности со сферическими выступами наблюдалось в опытах в диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров – Reh=530÷16000; h/D=0,21÷0,5; H/D=0,7÷1,68.

Во всем диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров установлено, что коэффициент гидросопротивления ξh, пропорционален числу Рейнольдса Reh в степени -0,25; что характерно для турбулентного режима течения.

При обобщении выявлено влияние на комплекс ξh / Re−h0,25 безразмерного

параметра – относительная высота канала H/D, отдельно для различных значений безразмерного параметра относительная высота выступа h/D.

Выявлено, что комплекс ξh / Re−h0,25 пропорционален относительной высоте канала H/D в степени 3,572 для h/D=0,21÷0,5. При уменьшение относительной высоты канала H/D=1,68÷0,7 и увеличение относительной высоты выступа h/D=0,21÷0,5, коэффициент гидравлического сопротивления увеличивается в 2– 3 раза. Это объясняется увеличением стесненности канала H/D и увеличением

386

–в области турбулентного режима интенсификация теплоотдачи возрастает – до 2,5 раз, с выступами h/D=0,3;

–наличие выступов приводит к значительному росту гидравлического сопротивления в канале. Рост гидросопротивления опережает рост теплоотдачи

387