Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

висимости от числа Рейнольдса в опытах наблюдались области изменения коэффициента сопротивления трубы или его постоянства (автомодельности относительно числа Re), что иногда не связывалось однозначно с геометрией шероховатости.

Сравнение положительных эффектов ИТО от применения в теплообменном оборудовании труб с накатанными спиральными или поперечными кольцевыми выступами показывает следующее. Увеличение теплоотдачи при наличии спиральных выступов в трубе составляет 20–45% по сравнению с гладкой тру-

бой (при одинаковом гидросопротивлении) [7,15], т.е. предельная интенсифи-

кация теплообмена практически одинакова со случаем трубы с поперечными кольцевыми выступами.

При поперечном обтекании пучков спирально накатанных труб эффективность теплообмена возрастает приблизительно на 10%, а теплоотдача при конденсации водяного пара повышается на 10–70% по сравнению с гладкими

трубами (из-за стягивания плёнки конденсата в канавки).

Примерно одинаковыми свойствами в условиях конденсации обладают

трубы с поперечной накаткой.

По тепловой эффективности, при теплообмене в канале, трубы с низкими

внутренними спиральными рёбрами и трубы со спиральной накаткой являются

конкурирующими вариантами, однако спиральная накатка более предпочтительна, так как трубы с рёбрами имеют большую металлоёмкость.

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 поверхности трубы, поэтому эффект увеличения поверхности теплообмена за счёт 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 теплосъёма до 40% [7]. Экспериментальное ис-

следование [14] показало, что при прочих равных условиях с гладкими трубами

использование пружинных вставок позволяет уменьшить поверхность тепло-

обмена на 50–60%. Максимум коэффициента эффективности проволочного выступа достигается при ϕ =50º–60º, оптимальный угол ϕ мало зависит от числа

Pr теплоносителя. Применение вставок увеличивает стоимость трубного пучка

на 15% и более. В работе [14] приведены расчётные формулы для теплообмена

и трения в трубах со вставками, основанные на опытных величинах функций шероховатости для переноса тепла и импульса.

Сопротивление и теплоотдача рассмотренных труб со вставками исследованы и в работе [7].

Пружинные вставки способны интенсифицировать процессы массообмена на поверхности жидких плёнок, стекающих по стенке круглого канала. В вертикальной трубе со стоком плёнки воды по стенке пружинная вставка, уста-

439

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

новленная соосно около поверхности плёнки (вне воды), увеличивает коэффициент массообмена на поверхности плёнки на 38%.

В отличие от труб со спиральными выступами, течение в прямоугольных каналах со скошенными выступами на двух противоположных стенках (охлаждающие каналы лопаток турбин) возможно не является вполне осесимметричным. Выступы инициируют поперечное движение среды, направленное к одной боковой (гладкой) стенке, которое должно привести к замкнутому циркуляционному макровихревому течению в поперечном сечении канала. Вероятно, под

влиянием поперечной циркуляции среды и возмущающего влияния отрывного

обтекания выступов интенсивность теплоотдачи на боковых стенках увеличивается на 30–80% по сравнению с гладкостенным каналом. Теплоотдача в канале при ϕ <90º выше, чем в случае ϕ =90º [11]. Весьма важно подчеркнуть, что

при турбулентном потоке в квадратном канале со скошенными выступами на

двух противоположных стенках (ККСВ) все теплогидродинамические показатели St ;ξ; η (при оптимальных углах атаки) – лучше, чем при поперечных выступах - ϕ =90º (при hD ; th = idem для ϕ =90º и ϕ <90º). Теплоотдача и со-

противление в ККСВ изменяются по криволинейным зависимостям с максимумом [5,11,12] при вариациях угла атаки в интервале ϕ =0–90º. Максимум значений St и ξ соответствует углам ϕ =60º–75º. Сопротивление ККСВ ( Re =105)

характеризуется следующими коэффициентами ξ при некоторых опорных ве-

личинах ϕ: ξ45 ≈ ξ90 ; ξ60−75 ξ90 ≈1,5; коэффициент ξ30 примерно на 20-40%

меньше, чем ξ90 (индексы – значение угла ϕ). Соответствующие числа St : St45−75 St90 ≈1,25; величина St30 приблизительно на 5-10% превышает число

St90 . Уменьшение угла ϕ в области ϕ <60º вызывает снижение уровня тепло-

отдачи и сопротивления (при любых Re), при этом относительное уменьшение коэффициента ξ больше, чем относительное падение числа St , поэтому оптимальные теплообменные показатели ККСВ соответствуют углам ϕ =45–30º. Действительно, значение коэффициента коэффициетна η30 на 30–50% больше,

чем η90 . Интересно заметить: в интервале ϕ =15–90º коэффициент ξ изменяет-

ся в 5 раз, а доля изменения числа St составляет лишь 1/6. Как и для попереч-

ных выступов, эффект ИТО для скошенных выступов снижается при возраста-

нии числа Re .

Следовательно, теплогидродинамическое качество (η или E′) скошенных выступов в ККСВ улучшается по сравнению с поперечными выступами

( ϕ =90º).

Теплогидравлическое качество скошенных (и поперечных) выступов в каналах типа ККСВ заметно улучшается, если каждый выступ разрезать (попе-

рёк продольной оси выступа) на отдельные короткие выступы таким образом, чтобы система скошенных выступов трансформировалась в упорядоченный набор шахматно расположенных коротких скошенных выступов. В потоке, обтекающем такие разрезные выступы (РВ), возникают дополнительные отрывные

440

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

течения в местах разреза выступов, которые повышают уровень возмущений (турбулентность) в пристенной зоне течения и содействуют дополнительной интенсификации теплообмена [5]. Теплоотдача стенок с выступами в канале с

РВ (КРВ) выше, чем в ККСВ, например, при ϕ =45º превышение составляет

14–31%. (Теплоотдача гладких стенок в КРВ ниже, чем в ККСВ). По сравнению с ККСВ гидропотери в КРВ меньше. Соответственно, коэффициенты η в КРВ возрастают относительно уровня их значений в ККСВ [5]. Максимальная тепловая эффективность КРВ отмечена при ϕ =30º (45º).

Интенсификацию теплообмена в трубах, кольцевых каналах в продольно и поперечно смываемых пучках труб возможно осуществить посредством создания на поверхности теплообмена поперечных кольцевых или спиральных ка-

навок [1]. Наиболее просто канавки наносятся на наружную поверхность путём

накатки, в канале канавки возможно получить электрохимической обработкой. В турбулентном потоке углубления на поверхности называют 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 счёт канавок. Теплоотдача и гидросопротивление труб с поперечными канавками нарастают при

увеличении глубины и уменьшении шага канавок. При возрастании Re увели-

чивается естественный уровень турбулентности в потоке и уменьшается толщина вязкого подслоя, соответственно дополнительная турбулизация пристен-

ной зоны за счёт канавок мало содействует росту теплообмена ( NuNu0 стаби-

лизируется) и значительно – увеличению потерь давления в потоке [1]. Посредством поперечных кольцевых канавок в тесных продольно обтекаемых пучках труб и в кольцевых каналах достигается увеличение теплоотдачи до 50% по сравнению с гладкой поверхностью при примерно одинаковом росте гидропо-

терь.

Для обеспечения оптимального режима интенсификации теплообмена в

трубах и в межтрубном потоке посредством накатки поперечных канавок рекомендуется выдерживать глубину канавок в пределах hdH =0,02-0,035 (dH –

наружный диаметр трубы). Метод расчёт труб с поперечными канавками представлен в [4].

Интенсификация теплообмена, сопровождаемая повышением гидросо-

противления в трубах со спиральными канавками, связана с закруткой потока и

вихреобразованием в канавках.

Коэффициент сопротивления трубы со спиральными канавками примерно

на 11% выше, что в трубе с пружинными вставками. Теплообмен и трение труб

со спиральными канавками приближённо на 8% превышают показатели труб с ленточными завихрителями. Теплогидравлические свойства труб со спиральными канавками весьма близки к характеристикам труб со спиральными выступами.

441

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Штампованные сферические выемки и выступы в качестве ИТ известны довольно давно. В последние 20 лет к выемкам привлечено почти всеобщее оживлённое внимание [17].

7.4. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи при турбулентном режиме течения в каналах энергоустановок

Сравнение ИТ проведено для нестеснённых каналов ( HD ≥0,7, H - попе-

речный размер канала). Конкретные ИТ, форма сечения канала, литературные источники, по которым рассчитывались теплогидравлические свойства каналов с ИТ, диапазон расчёта (совпадающий с диапазоном опытных исследований) представлены в табл.7.1. Для повышения точности результатов вычислений расчёты труб с поперечными кольцевыми выступами выполнены по опытным табличным данным [1]. Все каналы рассчитывались при одинаковых условиях: теплоноситель – воздух, температурный напор “газ-стенка” - 150С, определяющий параметр температура потока. Универсальная высота выступов (и глубина СВ) определялась по формуле [3,4]

h+ = 2h Re ξ 8 .

DЭ

Основные результаты расчётов по сопоставлению ИТ представлены в

табл.7.2 и на рис.7.1, 7.2, 7.3 (номера линий на рисунках и в таблицах совпада-

ют).

Таблица 7.1.

Границы области сравнения интенсификаторов

442

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

443

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 7.2 (продолжение)

444

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 7.2 (продолжение)

445

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 7.2 (продолжение)

Наглядное, объективное сравнение эффективности рассматриваемых ИТ,

показанное на рис.7.1, позволяет утверждать, что получена новая информация,

которая весьма необходима для развития теории ИТО и целенаправленного применения различных ИТ в технике.

Разумно несколько отложить обсуждение качеств мелких (низких) СВП,

линия 7, рис.7.1, т.к. опытные данные, использованные для построения линии 7, могут вызывать некоторые сомнения. Все остальные графики на рис.7.1 осно-

вываются на экспериментальных сведениях, не связанных с каким-либо непри-

ятием.

Наибольшая эффективность свойственна низким кольцевым поперечным выступам в трубе, линия 2, рис.7.1. Этот тип ИТ изучен наиболее основательно [1,3,4,7-10] по сравнению с другими ИТ. При оптимальных размерах выступов основные показатели их совершенства соответствуют следующим предельным

446

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

значениям (табл.7.2): Emax′ =1,26 ; NuNu0 =1,61; ξξ0 =1,38; h+ = 392 ; во всём диапазоне чисел Re оптимальные выступы обеспечивают Nu Nu0 >ξ ξ0 и

приемлемые значения h+ [1,3,4]. С практической точки зрения весьма отрадно отметить, что оптимальные шаги выступов достаточно большие th = 50 −100 ,

табл.7.2, а высота их мала hD = 0,01 − 0,02 . Это обстоятельство благоприятно

по соображениям технологии и стоимости накатки выступов и сохранению прочности исходной гладкой трубы при малой деформации её стенки за счёт выступов. Обсуждая эффективность поперечных выступов, уместно напомнить,

что свойства этих выступов возможно улучшить в случае применения «широ-

ких» выступов, предложенных в [24].

Рис.7.1. Сравнение эффективности различных поверхностных интенсификато-

ров теплоотдачи при их оптимальных геометрических параметрах. Обозначе-

ния в табл.7.2.

Анализ имеющейся в литературе информации по проблеме ИТО приводит к убеждению: при учёте эффективности технологии нанесения ИТ и её

стоимости, прочности канала и некоторых других причин поперечные выступы

остаются наиболее перспективным ИТ. Оптимальные размеры выступов и дру-

гим ИТ по отдельным областям чисел Re даны в таблице 7.2.

Лишь в очень узком интервале чисел Re качество мелких СВ оказывается

выше (линия 13, рис.7.1), чем 7 поперечных выступов (линия 2). Величина h+ (возможно, не в полной мере строгая для СВ), табл.7.2, для мелких СВ укладывается внутри рекомендованной для ИТО области. Мелкие СВ характеризуются примерно одинаковым увеличением теплоотдачи и сопротивления канала Nu Nu0 ≈ξ ξ0 (табл.7.2), только опытной линии 13, рис.7.1 сопутствует нера-

447

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

венство Nu Nu0 >ξ ξ0 . Почти во всём технически интересном диапазоне чисел

Re поперечные выступы гарантируют в канале более высокую интенсивность теплоотдачи (линия 2, рис.7.2), чем СВ (линии 13,11,10,12). Сопротивление каналов с поперечными выступами (линия 2, рис.7.3) мало отличается от каналов с мелкими СВ (линии 10,12, 13, рис.7.3).

Рис.7.2. Сравнение интенсивности теплоотдачи в каналах с различными по-

верхностными интенсификаторами при их оптимальных геометрических пара-

метрах. Обозначения см. табл. 7.2.

Рис.7.3. Сравнение гидравлического сопротивления каналов с различными поверхностными интенсификаторами теплоотдачи при их оптимальных геометрических параметрах. Обозначения в табл.7.2.

448