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

Монография Попов т3

.pdf
Скачиваний:
219
Добавлен:
22.03.2016
Размер:
26.56 Mб
Скачать

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Спиральные выступы в трубе возможно образовать посредством установки в них пружинных вставок из проволоки. При малых шагах проволочной спирали может нарушаться тепловой контакт выступа (проволоки) с поверхностью трубы, поэтому эффект увеличения поверхности теплообмена за счет выступов может существенно падать по сравнению с его проявлением при спиральной накатке. Этот недостаток снижает тепловую эффективность пружинных вставок при малых шагах относительно накатанных спиральных выступов. При достаточно больших шагах влияние указанного фактора незначительно. В случае гидропотерь, одинаковых с гладкой трубой, трубы с пружинными вставками обеспечивают увеличение теплосъема до 40%. Экспериментальное исследование показало, что при прочих равных условиях с гладкими трубами использование пружинных вставок позволяет уменьшить поверхность теплообмена на 50–60%. Применение вставок увеличивает стоимость трубного пучка на 15% и более.

Пружинные вставки способны интенсифицировать процессы массообмена на поверхности жидких пленок, стекающих по стенке канала. В вертикальной трубе со стоком пленки воды по стенке пружинная вставка, установленная соосно около поверхности пленки (вне воды), увеличивает коэффициент массообмена на поверхности пленки на 38 %.

Интенсификацию теплообмена в трубах, в кольцевых каналах, в продольно и поперечно омываемых пучках труб возможно осуществить посредством создания на поверхности теплообмена поперечных кольцевых или спиральных канавок. Наиболее просто канавки наносятся на наружную поверхность путем накатки, в канале канавки возможно получить электрохимической обработкой.

При ламинарном течении поперечные кольцевые канавки могут не влиять на теплообмен и гидросопротивление. В турбулентном потоке углубления на поверхности вызывают периодические срывы потока, в канавках образуются устойчивые вихри. Турбулентные пульсации, генерируемые срывами и вихрями в пристенном потоке, увеличивают гидросопротивление и теплоотдачу на стенке. Некоторый вклад в увеличение теплообмена вносит наращивание теплообменной поверхности за счет канавок, однако изменение поверхности при этом незначительно (не более нескольких процентов). Теплоотдача и гидросопротивление труб с поперечными канавками нарастают при увеличении глубины и уменьшении шага канавок. При возрастании Re увеличивается естественный уровень турбулентности в потоке и уменьшается толщина вязкого подслоя, соответственно дополнительная турбулизация пристенной зоны за счет канавок мало содействует росту теплообмена ( Nu / Nuгл стабилизируется)

и значительно – увеличению потерь давления в потоке. Посредством поперечных кольцевых канавок в тесных продольно обтекаемых пучках труб и в коль-

399

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

цевых каналах достигается увеличение теплоотдачи до 50 % по сравнению с гладкой поверхностью при примерно одинаковом росте гидропотерь. Увеличение теплоотдачи ( Nu / Nuгл) в продольно обтекаемых пучках труб при наличии

поперечных канавок начинается при Re1 = (3,6 33,8h/dэ) 104 , а стабилизация

Nu / Nuгл возникает при Re2 = (4,7 18,85h/dэ) 104 , dэ– эквивалентный

диаметр пучка труб.

Интенсификация теплообмена посредством поперечных канавок в продольно омываемых пучках труб целесообразна в тесных пучках, S/ dн =1,1 1,3,

S – шаг труб. Для обеспечения оптимального режима интенсификации теплообмена в трубах и в межтрубном потоке посредством накатки поперечных канавок рекомендуется выдерживать глубину канавок в пределах h / dн = 0,020 0,035 .

Интенсификация теплообмена спиральными канавками, сопровождаемая повышением гидросопротивления, связана с закруткой потока и вихреобразованием в канавках. В литературе приведены опытные формулы для определения коэффициентов сопротивления и теплоотдачи в рассматриваемых трубах.

Трубы со спиральными канавками рекомендуются для парогенерирующих каналов и экономайзеров котлов.

Основы рационального проектирования современных теплообменников свидетельствуют о невозможности разработки эффективных аппаратов без внедрения интенсификации теплообменных процессов. Следует учитывать, что интенсификация теплообмена, как правило, повышает стоимость и гидросопротивление единицы площади интенсифицированной теплообменной поверхности, по сравнению с обычной. Очевидно, что технико-экономическую целесообразность использования определенного способа интенсификации теплообмена необходимо подтвердить известными методами оценки эффективности теплообменников. Для стационарной теплоэнергетики используются, в основном, коэффициент Е и метод расчетных затрат. При внедрении интенсификации теплообмена требуется оценка возможного влияния ее на весь комплекс характеристик теплообменного оборудования: размеры; массу; стоимость изготовления и эксплуатации; склонность к вибрации и загрязнению; прочность; технологию изготовления; удобство эксплуатации и ремонта; надежность работы и ряд др. качеств.

Теплогидравлический расчет каналов с ленточными закручивателями возможно провести по формулам В.К.Щукина, в которых приняты следующие обозначения: S – поворот спирали на 180º; ϕ–угол закрутки потока около по-

400

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

верхности трубы, при этом tgϕ = π2 Sd , где d – внутренний диаметр трубы. Диа-

метр эквивалентный спирального канала вычисляется по формуле:

dэ =

d(πd 4δ)

 

 

 

, δ – толщина ленты.

 

 

πd + 2(d − δ)

 

 

Течение в условиях закрутки характеризуется числом Дина – Dе= Re

d

, D –

 

 

 

D

 

средний диаметр изгиба канала; Re = wdν э ; w – среднерасходная (осевая) ско-

рость в спиральном канале. Критическое значение числа Дина равно Deкр=11,6. В изогнутых трубах вторичные течения появляются при Deкр11,6, сначала возникает ламинарное с макровихрями течение. Переход к турбулентному

течению происходит при:

Reкр = 2300 + 38900(d /S)1,16 .

Для турбулентного режима при S/ d = 2,65 13; Re 5,9 104 :

 

0,28

D 0,09

D

0,65

ξ = 0,705Re

f

 

 

 

+ 0,009

 

 

,

 

 

 

d

d

 

 

8

S

2

D / d = 0,5 +

 

 

.

π2

 

d

 

В случае S/ d =1,79 13,00 для газа:

Nuf = 0,079Re0,74f Prf0,43 (Tf /Tw )0,575 (D / d)0,11,

для жидкости используется симплекс (µ f / µw )0,36 .

В ламинарно-вихревом режиме при Re < Reкр; S / d = 2,5 11:

ξ= 6,34Ref 0,474 (D/d)0,263 + 25,6Re1 ;

Nuf = 0,3Re0,6f Prf0,43 (D / d)0,135 .

401

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ГЛАВА 6. ТЕПЛООБМЕН И СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ С МАЛЫМИ ШАГАМИ ОРЕБРЕНИЯ

6.1. Анализ состояния вопроса по конструкциям и технологии изготовления поперечно-оребренных труб

6.1.1. Классификация оребренных труб

Системы отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха находят все более широкое применение в различных областях жизнедеятельности человека. В силу ряда особенностей теплообменные аппараты (ТА) этих систем работают при малых температурных напорах и в условиях низкого предельно допустимого уровня шума. Поэтому скорость воздуха в ТА составляет не более 5 м/с, что обуславливает невысокие плотности теплового потока, определяющие большие массу, габариты и стоимость ТА, снизить которые можно путем развития поверхности оребрения (рис.6.1). В настоящее время в ТА систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха применяются трубы с насадным пластинчатым, спирально-навивным, спирально-накатным, проволочным оребрением. Как показывают исследования [1], уменьшение линейных размеров позволяет значительно интенсифицировать теплоотдачу со стороны воздуха и снизить габариты ТА. Но при этом возникают проблемы технологического и эксплуатационного характера.

Ряд работ посвящен изысканию эффективных форм оребрения и различным способам интенсификации теплоотдачи на их поверхностях [3-7]. В.М.Антуфьев, проведя сопоставление поверхностей на основе предложенной им методики [5], пришел к выводу, что изменение формы трубы не является решающим фактором при интенсификации теплообмена. Исследование теплоотдачи ребристых труб с различной формой ребра [6] показало, что форма ребра не оказывает какого-либо существенного влияния на процесс теплообмена.

Попытки интенсификации теплоотдачи за счет разрезки ребер, специальной компоновки труб с обрезанными ребрами по данным В.Ф.Юдина [6,7] и Г.А.Дрейцера [8], не обеспечивают высокой эффективности. По данным Е.Н.Письменного разрезка ребра может увеличить теплоотдачу в случае разворота сегментов ребер до 44% [9], а без разворота на 10-30% [10,11], однако эффект интенсификации падает с уменьшением Re, что согласуется с [12].

402

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

а

б

в

г

д

е

ж

з

и

к

л

м

н

о

п

Рис.6.1. Типы оребрения: а – трубы Wolverine H–P Trufin, б – трубы Wolverine S–T Trufin, в – трубы Wolverine Turbo–CDX, г – трубы Wolverine Turbo–Chil, д – трубы Wolverine Turbo–CIII, е – Wolverine Turbo–CSL, ж – трубы Wolverine W–H Trufin, з – трубы Greens Power Ltd. Sleel H, и – трубы Greens Power Ltd. Sleel H, к, л – трубы Armstrong, м – трубы Wolverine I–L Trufin, н – трубы Wolverine L–С Trufin, о – трубы Fin Tube MFG с проволочными ребрами, п

трубы Fin Tube MFG со спиральными разрезными ребрами

403

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Эффективность этого способа интенсификации резко падает при уменьшении линейного размера поверхности теплообмена [13]. Интенсификация теплоотдачи путем конфузорной подгибки ребер по данным Е.Н.Письменного [14, 15] позволяет в ряде случаев повышать теплоотдачу на 15-77% при росте аэродинамического сопротивления на 40 - 117%. По данным [16, 17] эффект от подгибки ребер отрицательный.

Исследования [7] показали, что трубы с искусственной шероховатостью в виде зубьев, а также трубы с поперечными просечными и перфорированными ребрами не могут быть рекомендованы к применению, так как при сохранении примерно одинаковых объемных и массовых характеристик по сравнению с гладкоребристыми трубами усложняется технология их изготовления и растет стоимость. Исходя из этого в [3,6,18] рекомендуется применять трубы с винтовым оребрением как наиболее технологичные.

Исследования конвективного теплообмена на поверхностях ребер с нанесенными луночными покрытиями [19-24] показали увеличение теплоотдачи на 35–40% при отстающем росте и даже уменьшении аэродинамического сопротивления. Данный метод интенсификации теплоотдачи весьма перспективен и только проблемы технологического порядка сдерживают его применение на ребрах поперечно-оребренных труб.

Оценка эффективности теплоотдачи на поперечно обтекаемых ребристых трубах является актуальной задачей. Как правило, в публикациях полученные результаты оцениваются в виде зависимости (Nu/Nuгл)/(ζ/ζгл), например [9,10,15,24]. Согласно А.И.Леонтьеву [25] особый интерес вызывают работы, в которых наблюдается опережающий рост теплоотдачи относительно роста аэродинамического сопротивления.

Конструктивно ребра оребренных труб бывает двух типов: плоские и стержневые (трубы с шипами и с проволочным оребрением). Трубы с плоским оребрением – продольным, винтовым и шайбовым – получили более широкое распространение. Трубы с продольным и шайбовым оребрением являются предельными случаями труб с винтовым оребрением, когда угол подъема винтовой линии ребра, определенный для однозаходной винтовой поверхности как

γ = arctg πspd , составляет соответственно 90° и 0°. Трубы с углами подъема вин-

товой линии ребра меньше 15° принято называть поперечно-оребренными. В данной работе исследуются поперечно-оребренные трубы.

Различают следующие виды поперечно-оребренных труб:

со спирально-навивным оребрением;

со спирально-накатным оребрением;

изготовленные методом деформирующего резания;

с отдельными насадными ребрами.

Технологически трубы получаются следующими способами:

1. Спирально-навивное оребрение изготавливается навивкой стальной, алюминиевой или реже медной ленты на несущую трубу. Как правило, несущая

404

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

труба стальная. Спирально-навивное оребрение применяется в широком диапазоне геометрических размеров.

Для уменьшения термического контактного сопротивления (ТКС) необходимо улучшить контакт ребер и несущей трубы.

В случае использования навивки из стальной ленты ребра могут быть приварены к несущей трубе. По данным [26] разработанная ИЭС им. Патона технология изготовления поперечно-оребренных труб методом радиочастотной приварки ребер позволяет изготавливать трубы d = 22 - 152 мм, δр = 1,5 – 9,0

мм, hр до 25 мм и sp = 4 - 20.

В случае использования навивки из алюминиевой или медной ленты применяют навивку с натягом и пайкой. Натяг между ребрами и несущей трубой создается завальцовкой навивки на глубину h1 0,3 – 0,5 мм в несущую трубу, а также образованием горизонтальной полки ребра путем отгибания его основания (так называемые L ребра). Иногда во втором случае ребра закатываются в продольные бороздки небольшой глубины в несущей трубе (так называемые KLM ребра). Такими способами, по данным [27] можно изготовить трубы с параметром ψ до 27 (ψD = 8,34).

По данным [28] в отечественном и мировом производстве трубчатых оребренных ТА с воздушным обдувом серийно применяются преимущественно два вышеописанных конструктивных типа биметаллической оребренной трубы.

Следует отметить, что, несмотря на значительные успехи развития технологии пайки алюминия (пайка в вакуумной печи, пайка под флюсом), эта технология остается достаточно сложной, а паяные соединения с участием алюминия являются недостаточно надежными.

ТА с навивным оребрением имеют большую трудоемкость и материалоемкость при изготовлении на единицу теплообменной поверхности, чем ТА с пластинчатым оребрением. Это обстоятельство объясняет то, что в последнее время поверхности с пластинчатым оребрением постепенно вытесняют поверхности с навивным оребрением.

2. Спирально-накатное оребрение выполняется путем выдавливания ребер из толстостенной медной или алюминиевой трубки. Путем накатки алюминиевых трубок получают поверхность с трапециевидными ребрами. По условиям технологии средняя толщина накатных алюминиевых ребер δр 0,5 мм, что значительно выше оптимальной с точки зрения теплообмена; шаг оребрения sр 2,45 мм для сопряженных высот ребра hp 15,2 мм, что в итоге определяет предельно достигнутый коэффициент оребрения трубы ψ = 20,73 (ψD = 9,46) [29]. Существуют биметаллические трубы с накатными ребрами: трубы стальные, ребра алюминиевые.

3. Деформирующее резание (ДР) – сравнительно новый метод механической обработки, сочетающий процесс частичного срезания припуска и целенаправленного пластического деформирования подрезанного поверхностного слоя [132]. Образующаяся при ДР стружка не отделяется полностью от заготовки, сохраняя с ней связь по своей узкой стороне, поэтому в оребренных трубах,

405

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

полученных методом ДР, полностью отсутствует ТКС. С помощью ДР по данным Н.Н.Зубкова [2] возможно увеличение площади исходной поверхности ψисх до 14 раз, при этом возможно получение ребер разнообразной, в том числе и прямоугольной формы, а возможный минимальный шаг оребрения sр = 0,15 мм

(δ = 0,02 мм).

В МГТУ им. Н.Э. Баумана, на кафедре МТ-2 [131–137], активно ведутся исследования нового метода формообразования, основой которого являются одновременно как процесс резания, так и пластического деформирования.

Схемы обработки деформирующим резанием и формы получаемых ребер и оребренных поверхностей (труб) приведены ниже на рис.6.2–6.5.

а

б

в

Рис.6.2. Схема обработки деформирующим резанием [132–137]: а – по схеме строгания, б – по схеме точения, в – зона деформирующего резания, фотография со сканирующего электронного микроскопа САМ–SCAN–4–4DV, Сталь 10, увеличение 40x; 1 – главная режущая кромка, 2 – вспомогательная (деформирующая) кромка, 3 – передняя поверхность инструмента, 4 – вспомогательная задняя поверхность

Рис.6.3. Варианты ребер для поверхностей кипения, получаемых деформирующем резанием [132–137]

Рис.6.4. Варианты ребер для поверхностей конденсации, получаемых деформирующем резанием [132–137]

406

407

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

4.ТА с отдельными насадными ребрами применяются редко из-за большой трудоемкости изготовления.

Теоретическими [30] и экспериментальными [27] исследованиями установлено, что для дальнейшего совершенствования оребренных труб следует

уменьшать шаги оребрения и применять ребра толщиной δр = 0,3 – 0,35 мм, а коэффициент оребрения трубы следует довести до ψ = 22-25.

Требуемые геометрические параметры возможно обеспечить путем оребрения труб лентой, при этом у данных труб будет иметь место ТКС ребра и несущей трубы. Путем накатки невозможно получить заданные параметры оребрения, но у этих труб будет отсутствовать ТКС. Требуемые геометрические параметры оребрения достигаются только методом ДР, причем у полученных данным ме-

тодом труб отсутствует ТКС. Таким образом, актуальность

исследования оребренных труб с малыми шагами оребрения с полученными деформирующим резанием (ДР) ребрами обусловлена все более широким применением в вышеописанных системах ТА на основе оребренных теплообменных поверхностей, полученных деформирующим резанием (ТДР). По сравнению с трубчатопластинчатыми ТА они обладают следующими достоинствами:

 

 

 

 

 

 

 

отсутствием термического кон-

 

 

 

 

 

 

 

 

тактного сопротивления (ТКС)

Рис.6.5.

Варианты

ребер

для

 

ребер с несущей трубой;

 

возможностью

получения

конвективного

теплообмена,

получа–

емых деформирующем резанием [132–

 

большей

компактности

ТА

 

вследствие

меньших

шагов

137]:

а – мельхиор, S=0,25

мм, h=1,0

 

 

оребрения;

 

 

 

мм;

б – медь, S=1,0 мм, h=4,0 мм; в

 

 

 

 

высокой надежностью и герме-

– медь, S=0,3 мм, длина ребер 1,8 мм; г

медь,

S=0,3

мм; д

медь,

S=0,5

мм;

 

тичностью ТА вследствие

со-

 

кращения

соединений, а

также

е

алюминий,

S=0,4

мм, h=1,5

мм,

 

 

большей жесткостью и прочно-

остаточная толщина стенки трубы 0,15

 

 

стью конструкции ТА;

 

мм; ж – сталь 12Х18Н10Т, S=0,6 мм; з

 

 

упрощением технологии произ-

титан ВТ1–0, S=0,36 мм, h=0,7 мм (S –

шаг оребрения, h – высота оребрения)

 

водства ТА и меньшей стоимо-

 

стью ТА при серийном произ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

водстве.

ТДР перспективны также для воздухонагревательной техники, где в настоящее время применяются, как правило, гладкотрубные ТА. Накатное оребрение слабо интенсифицирует теплоотдачу из-за невозможности получения малых шагов оребрения, а навивное - из-за возникающего ТКС, снизить которое крайне затруднительно.

6.1.2. Влияние термического контактного сопротивления

На интенсивность теплообмена на трубах с немонолитным соединением ребра с несущей поверхностью влияет дополнительное термическое контактное сопротивление (ТКС), возникающее в зоне соприкосновения основной трубы с ребром. Величина ТКС определяет механическое совершенство контакта и определяется как:

Rк =

tк ,

(6.1)

 

qк

 

где tк – перепад температур в контактной паре; qк – плотность теплового потока через контактную зону.

По величине температурного перепада tк на механическом контакте можно косвенно судить об ухудшении интенсивности теплообмена на трубах вследствие дискретного характера соединения ребер со стенкой несущей трубы.

Теоретические расчеты ТКС [31] позволяют установить только порядок его величины, что недостаточно для решения практических задач. Приводимые в [32-34] методики расчета ТКС в зависимости от характеристики контакта несущей трубы и ребер, а именно величины натяга посадки, шероховатости, формы (волнистости) и степени очистки сопряженных поверхностей ввиду сложности, а подчас и невозможности определения всех этих факторов малопригодны и годятся только для его качественной оценки. Кроме того, ТКС меняется во времени, причем его величина может, как расти, так и падать.

В работах [35,36] проведено экспериментальное исследование ТКС в биметаллических оребренных трубах с L-образным спирально-навивным алюминиевым оребрением на стальные несущие трубы. Установлено что значение ТКС в 3 - 10 раз меньше термического сопротивления теплоотдачи с воздушной стороны. Большой разброс значений ТКС связан с недостаточно плотным контактом ребер и несущей трубы, а также различными факторами, существенно влияющими на величину ТКС. Так, например, испарение масла из зоны контакта приводит к возрастанию ТКС до 70% вследствие заполнения появившихся зазоров воздухом, теплопроводность которого значительно меньше, а искусственная шероховатость ухудшает ТКС. Предварительное шлифование поверхности несущей трубы приводит к уменьшению ТКС в 1,23 – 1,58 раз.

408