Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Следует отметить, что опытные данные для мелких СВ, соответствующие линиям 10, 12, рис.7.1, 7.2 и 7.3, хорошо согласуются между собой; опытные результаты по теплоотдаче, линия 13, рис.7.2, существенно отличаются от других опытных зависимостей. Вполне очевидно: иногда глубокие СВ, линия 11, рис.7.2, позволяют получить в канале несколько более высокий уровень теплоотдачи, чем мелкие СВ (линии 10,12,13), однако сопротивление каналов с глубокими СВ велико (линия 11, рис.7.3), поэтому эффективность глубоких СВ (линия 11, рис.7.1) ниже, чем у мелких СВ. Крупные СВ, табл.7.2, заметно

больше наращивают сопротивление канала по сравнению с теплоотдачей.

Достаточно неожиданно оказалось. что эффективность давно известного ИТ - СВП, даже для крупных (высоких) СВП: hd = 0,5 ; hD = 0,43 (табл.7.1 и

7.2), приближается (и частично совпадает) к эффективности мелких СВ (линии 6,9, рис.7.1). Теплоотдача и сопротивление крупных выступов, линии 6, рис.6,3,

выше, чем у мелких СВП, линии 9. В значительном интервале чисел Re пара-

метр h+ для СВП, табл.7.2, в 2-3 раза превышает целесообразную величину

h+ < 200 [1].

Практическое совпадение линий 9,11, рис.7.1, 7.2 и 7.3, подтверждает опытный вывод Вигхардта относительно одинакового воздействия выемок и выступов на поток, омывающий стенку.

Высокая эффективность СВ и СВП вызвала необходимость проведения новых опытных исследований эффективности сферических выемок и выступов в широком интервале чисел Re = 4000 − 30000 и размеров таких интенсификаторов. При этом изучен и почти неисследованный диапазон Re = 4000 − 7000 .

Опытные результаты настоящей работы для сферических выемок вполне удовлетворительно согласуются по теплообмену, сопротивлению и эффективности с известными данными (см. рис.7.1.−7.3). Результаты авторов для сфери-

ческих выступов существенно отличаются от опубликованных данных других

авторов. В определенной мере это различие можно объяснить тем, что для линии 6 расчеты теплоотдачи и сопротивления выполнялись по приближенным формулам различных исследователей.

Сопоставление расположения на рис.7.1 линии 2, соответствующей кольцевым поперечным выступам, и линии 15 (и 10) показывает, что эффективность

исследованных выемок значительно ниже, чем поперечных выступов. Действи-

тельно, в области Re =10000 − 30000 эффективность поперечных выступов достигает значения Emax′ =1,26 , аналогичный параметр для выемок не превышает

величину E′ =1,076. Можно заметить, что с принципиальной (качественной)

точки зрения выемки «работают» достаточно экономно: увеличение теплоотдачи по сравнению с гладкой трубой одинаково или опережает нарастание сопро-

тивления, однако количественный эффект интенсификации относительно скромен NuNu0 =1−1,138 и существенно уступает поперечным выступам. Это за-

ключение важно для прикладных разработок систем охлаждения лопаток турбин.

449

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Относительно сферических выступовследует, что изученные в данной работе сферические выступы значительно менее эффективны, чем выемки. При Re = 30000 эффективность выемок в 1,6 раза выше, чем выступов.

Рекомендуемые в настоящей работе оптимальные для интенсификации турбулентной теплоотдачи размеры выемок - для целесообразной интенсификации необходимо использовать мелкие выемки.

Наиболее вероятно, что картина обтекания выемки размером hd = 0,14

соответствует схеме течения без присоединения потока к дну выемки. К сожалению, пока остаются неисследованными мелкие выемки глубиной

h0 = 0,05 −0,1, обтекание которых происходит с присоединением потока на дне

выемки. В этом случае возможно ожидать более значительных эффектов интенсификации.

Не менее удивительны высокие эффективность и интенсивность теплоот-

трубах, составляющий h+ = 478 −3588 (табл.7.2) по мере роста числа Re, убе-

дительно свидетельствует, что наращивание параметра h+ , т.е. увеличение размеров ИТ сверх рекомендуемых, не приносит выигрыш в эффективности и теплоотдаче канала, ситуация становится автомодельной. Однако возможность

одинаковой эффективности каналов с крупными (линия 8, рис.7.1) и мелкими

ИТ (линия 12) весьма показательна. Можно обратить внимание (линии 8,11, рис.7.1 и 7.2) на следующее обстоятельство: поверхность, формованная «сме-

сью» крупных СВ и СВП, имеет более высокую интенсивность теплоотдачи и

эффективность, чем стенка, покрытая глубокими СВ.

Анализ проведённых расчётов по выяснению теплогидравлических ка-

честв труб со спиральными выступами показывает, что эффективность органи-

зации процессов переноса в потоках внутри этих труб в литературе значительно завышается. Объективные показатели труб со спирально накатанными высту-

пами (линии 3, рис.7.1, 7.2 и 7.3, табл.7.2), соотнесённые со свойствами труб с поперечными выступами, следующие. Эффективность E′ спиральных высту-

пов примерно в 2 раза ниже, максимальные значения NuNu0 почти одинаковы, а относительное сопротивление ξξ0 в 2-3 раза выше, чем у поперечных выступов. Поэтому при относительно малой высоте выступа hD = 0,04 для чи-

сел Re >105 параметр h+ в 3-10 раз превышает разумный предел. Пониженная

эффективность и повышенное сопротивление спиральных выступов объясняется тем, что при одинаковом с поперечными выступами осевом числе Re в кана-

ле со спиральными выступами необходимо затратить значительную дополнительную мощность на закрутку потока.

В инженерной практике при необходимости ИТО и достижения высоких коэффициентов теплоотдачи каналу со спиральными выступами следует предпочесть трубу, формованную совокупностью СВ и СВП, линии 8, рис.7.1, 7.2 и

450

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

7.3, которая обеспечит большее значениеNuNu0 , меньшую величину ξξ0 и,

соответственно, существенно больший коэффициент E′.

В американской литературе [5,11,12] активно пропагандируются достоинства каналов с выступами, расположенными под углом атаки к потоку

ϕ = 900 . Такие каналы, типа ККСВ и КРВ, рекомендуются, в частности, в качестве охлаждающих каналов лопаток турбин. расчётное сопоставление эффективности этих каналов с каналами, имеющими другие ИТ, показало, что каналы типа ККСВ и КРВ имеют самую низкую эффективность по сравнению со всеми остальными рассмотренными интенсифицированными каналами (линии 4,5, рис. 7.1). Скошенные выступы в квадратном канале позволяют получить наиболее высокие коэффициенты теплоотдачи (линии 4,5, рис.7.2), однако достигаются они ценой максимального сопротивления (линии 4,5 рис.7.3), приводящего к минимальным величинам E′. Повышенное сопротивление ККСВ и КРВ (при 30º< ϕ<90º) по сравнению с прямоугольными каналами и круглыми трубами с поперечными выступами ( ϕ =90º), а также с круглыми трубами со спи-

ральными выступами, вероятно следует связывать с интенсивным поперечным смещением выступами пристенной части потока и ударным натеканием её на

боковую стенку канала. Возмущения течения, сопровождающие эти события,

являются причиной больших гидропотерь. В круглой трубе со спиральными выступами (линия 3, рис.7.3), с более упорядоченным осесимметричным тече-

нием потери давления существенно меньше, чем в ККСВ и КРВ (рис.7.3). Не-

обходимо заметить, что низкая эффективность ККСВ и КРВ наблюдается при вполне умеренной высоте выступов hD = 0,0625 для потока газа.

Вместо ККСВ и КРВ охлаждающие каналы лопаток турбин более рационально следует изготавливать в форме круглых каналов со спиральными выступами или со «смесью» СВ и СВП.

Возвращаясь к обсуждению эффективности СВП, линии 7, рис.7.1, 7.2 и

7.3, для объективной оценки свойств этих ИТ необходимо напомнить, что опытные данные Г.Шлихтинга по сопротивлению поверхностей с СВП подвер-

гались критике в работе [25] и в некоторых других трудах. При расчётах пока-

зателя E′ использовались исправленные данные Г.Шлихтинга по коэффициентам ξ, которые приведены в [20]. Сопоставление сопротивления мелких СВП

(линия 7, рис.7.3, табл.7.2) с мелкими СВ (Линии 10,12,13) и низкими поперечными выступами (линия 2) показывает, что относительные коэффициенты ξξ0

(табл. 7.2) для этих ИТ в интервале Re =104 −105 близки между собой и незна-

чительно превышают число 1, что не является невозможным в соответствии с известными экспериментальными результатами для интенсифицированных ка-

налов. Можно указать на заметное отклонение линий 7 и 9 на рис.7.3, однако

высота «мелких» СВП, соответствующая линии 9, к сожалению, не указана авторами [22]. Разница в размерах и шагах СВП может быть причиной этого отклонения

451

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Возможность значительной ИТО с помощью СВП (линия 7, рис.7.2) подтверждается современными опытными исследованиями [26]: в турбулентном потоке воздуха шахматно расположенные полусферические выступы d =1,27 мм с шагом th =8 повышали уровень теплоотдачи до NuNu0 =1,4 .

Согласно рис.7.1, линия 7, мелкие СВП являются наиболее эффективным ИТ во

всем технически интересном исследованном диапазоне чисел Re по сравнению с остальными ИТ. Высокое качество СВП желательно дополнительно обосновать новыми экспериментальными исследованиями процессов переноса в каналах с СВП.

Согласно обзору литературы и настоящему анализу, можно предполагать,

что конические выступы могут оказаться максимально эффективными ИТ, в

том числе и по отношению к СВП, однако это требует опытной проверки.

В стеснённых каналах (прямоугольных, кольцевых) с любыми из рассмотренных ИТ на одной стенке в соответствии с опытными данными для СВ [23] и поперечных выступов (Итимия) следует ожидать примерно одинакового возрастания теплоотдачи на противоположной гладкой стенке и увеличения общего сопротивления и теплоотдачи канала, характерного для данного типа ИТ.

7.5. Эффективные интенсификаторы теплоотдачи для ламинарных потоков в каналах энергоустановок

В современных условиях и в перспективе один из главных путей повышения экономичности энергоустановок – совершенствование теплообменного оборудования, реализовать которое можно с помощью внедрения эффективных способов интенсификации теплообмена [27].

Весьма важно, что стоимость производства рациональных интенсификаторов теплообмена на стенках каналов (труб) теплообменников невысока и со-

ставляет лишь несколько процентов от стоимости каналов [7,27–29]. Ламинарное (и переходное) течение реализуется в каналах теплообменно-

го оборудования во многих случаях: как при нерасчетных режимах работы (пониженные расходы сред), так и на номинальных режимах эксплуатации различных устройств типа − воздухоохладителей компрессорных установок и ГТУ;

воздухоподогревателей котлов и ГТУ; систем водяного и воздушного охлаждения масла на ТЭС и АЭС и др. [7,29].

Внимание к научным и техническим проблемам интенсификации тепло-

обмена при ламинарном течении сформировалось недавно, поэтому в литерату-

ре ощущается дефицит теоретических методов расчета и результатов экспериментальных исследований теплообмена и сопротивления в каналах с интенсификаторами теплообмена в обсуждаемых условиях течения. Эти обстоятельства, в известной степени, задерживают необходимое широкое использование интенсификации теплообмена в технике.

452

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Эффективны для интенсификации теплообмена при ламинарном течении короткие каналы (повышенная теплоотдача во входном участке трубы) и прерывистые поверхности, использующие эффект обновления пограничного слоя.

Высокий уровень теплоотдачи для ламинарного потока возможно достигнуть с помощью выбора оптимального поперечного сечения канала [30]. Известно, что при течении газов и жидкостей (с малыми числами Pr ) в относительно длинных каналах ( Re Pr DL <10 или LD >100 ) теплоотдача стремит-

ся к некоторому постоянному уровню Nu = const ( D , L − диаметр и длина канала; Re; Pr ; Nu − числа подобия). Следовательно, при малых числах Re в длинных каналах число Nu не зависит от скорости потока. В этих условиях оптимальная форма поперечного сечения канала (определяемая максимумом отношения теплосъема к гидропотерям) полностью зависит от интенсивности теплообмена в канале, так как величину гидропотерь можно регулировать изменением скорости потока при неизменном уровне теплообмена. Сопоставление различных каналов (прямоугольного, треугольного, круглого поперечного сечения) при одинаковых эквивалентных диаметрах показывает существенные преимущества прямоугольного канала по сравнению с остальными.

Оптимизация формы сечения гладкого канала при ламинарном режиме

движения может позволить сократить поверхность теплообмена на 20% и более при одинаковом гидросопротивлении с гладким круглым каналом.

Каналы прямоугольного профиля используются в теплообменниках ГТУ

итранспортных машин [31].

Сцелью упрощения технологии производства и повышения теплообменных качеств интенсифицированных труб применяются внутренние вставные

ребра − звездообразные вставки из высокотеплопроводного материала (сплав алюминия и др.), которыми заполняется труба. Вставки выполняются относительно короткими LD =20−30. Если соседние вставки поворачивать относи-

тельно друг друга на угол, равный половине угла между лучами звезды, то возможное увеличение теплоотдачи на поверхности ребер за счет обновления пограничного слоя на них составит примерно 100%. Значительно больший эффект можно получить от вставок, обеспечивающих винтовую закрутку потока относительно оси трубы. В этом случае эффекты оребрения и закрутки объединяют-

ся.

За рубежом с целью интенсификации применяются витые трубы; гофрированные и рифленые поверхности; трубы с внутренним спиральным и про-

дольным оребрением; трубы, свернутые в спиральные змеевики; трубы типа

конфузор-диффузор.

Анализ литературы убеждает в том, что по теплогидравлическим, эконо-

мическим и технологическим соображениям для интенсификации теплоотдачи

ламинарных потоков в каналах наиболее целесообразно использовать интенсификаторы теплообмена, сформированные на стенке канала в виде: дискретных поперечных кольцевых или спиральных выступов (накатка), кольцевых или спиральных канавок (электрохимическая технология производства), спираль-

453

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ных проволочных вставок (пружины), сферических выступов или выемок

[3,4,7,27,28,33,34].

При ламинарном (и в значительной степени переходном) режиме течения

определяющий механизм переноса тепла поперек потока − теплопроводность,

поэтому интенсивность теплоотдачи относительно мала.

Следовательно, для экономии энергии и материалов при производстве и эксплуатации теплообменников интенсификация теплообмена при ламинарном (и переходном) режиме движения потока в каналах приобретает особое значение.

Вотличие от турбулентного течения, в ламинарном (переходном) потоке

вканале термическое сопротивление более равномерно распределено по всему поперечному сечению потока или охватывает значительную часть его, поэтому для интенсификации теплоотдачи необходимо возмущающее воздействие на обширную зону пристенного течения.

Указанного воздействие обеспечивается посредством применения искус-

ственной дискретной шероховатости стенки канала, выполненной накаткой

спиральных выступов в трубе или установкой в ней пружинных (спиральных) проволочных вставок. Размер шероховатости (высота поперечных или спиральных выступов и диаметр проволоки) существенно увеличивается по сравнению

синтенсификаторами в турбулентном потоке.

Закрутка потока такими элементами шероховатости активизирует процессы переноса поперек потока за счет центробежных сил. Некоторое дополнительное возрастание теплообмена возникает из-за эффекта увеличения поверхности при наличии интенсификаторов в трубе. Положительное влияние закрутки на теплообмен в трубе связано и с возможностью более раннего перехода к турбулентному режиму под воздействием закрутки.

Интенсификация теплообмена поперечными кольцевыми выступами основана на возмущении пристенной зоны потока вихреобразованием при отрывном обтекании выступов и эффектами обновления пограничного слоя за каж-

дым выступом, кроме того, нарастание уровня теплообмена может быть связано

сускоренным переходом от ламинарного режима к турбулентному около шероховатой стенки. В случае применения спиральных выступов (или вставок) в потоке одновременно существуют эффекты отрывного возмущения течения и

воздействия закрутки. Некоторое возрастание теплообмена объясняется и увеличением общей поверхности канала при нанесении выступов на его стенку.

Механизм интенсификации теплоотдачи в случаях использования в каче-

стве интенсификаторов канавок, сферических выступов и выемок принципиально идентичен влиянию кольцевых и спиральных выступов на поток [33].

Очевидно, что при любом режиме течения в трубе интенсификация теп-

лоотдачи приводит обязательно к росту гидросопротивления [33]. При этом в

ламинарном (и в переходном) режиме существуют области выгодного соотношения между увеличением теплообмена и возрастанием гидросопротивления, что и обеспечивает позитивное влияние интенсификаторов на техникоэкономические показатели энергооборудования.

454

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Внастоящее время в литературе отсутствуют систематизированные сопоставления эффективности промышленно перспективных типов интенсификаторов теплоотдачи в условиях ламинарных течений рабочих тел в каналах теплосиловых установок. Соответственно отсутствуют рекомендации по выбору конкретного типа интенсификатора и его предпочтительных параметров. (Сравнение некоторых отдельных частных вариантов интенсификаторов проведено в работе [34]).

Для оценки эффективности каналов с интенсификаторами разумно ис-

пользовать относительную форму универсального критерия М.В.Кирпичева

E′ = E′ E′гл . Технология сравнения интенсификаторов и поиск их оптимальных

геометрических параметров осуществлялись по вышеописанной методике. Канал с интенсификаторами, обладающий наилучшим (из ряда вариантов) теплогидродинамическим качеством E′ = max , и интенсификаторы, обеспечившие это качество, являются наиболее эффективными (оптимальными).

Вычисление коэффициентов E′ (т.е. Q и N ) принципиально возможно

посредством численного решения системы уравнений конвективного теплооб-

мена в канале. Можно использовать модель на основе внутренних пограничных слоев для отрывного ламинарного течения в каналах с интенсификаторами [36]. Для расчета отношения QN полезно привлечь модифицированную аналогию

Рейнольдса для отрывного обтекания интенсификаторов на стенке [37]. Однако

для достижения максимальной надежности результатов сравнительной оценки эффективности интенсификаторов авторы воспользовались опытными уравне-

ниями подобия для расчета теплоотдачи и сопротивления интенсифицированных каналов. Уравнения приведены в литературных источниках, указанных в библиографии к данной работе.

Тип сравниваемых интенсификаторов и условия течения в каналах даны в табл.7.3.

Все расчеты для технического масла (свойства масла взяты в работе [41]) и воздуха проведены при температуре теплоносителя 300С и температуре стенки канала 600С. Канал не стесненный [33]. При расчетах приняты следующие единые размеры канала − длина L =1 м, диаметр D = 0,02 м. Расчет для гладкого пустого круглого канала производился по уравнениям Мак-Адамса и Пуа-

зейля: Nu =1,62(Re Pr DL)13 (µf µw )0,14 (1 + 0,015Gr13 ); ξ = 64Re , (обозначе-

ния традиционные).

Основные результаты расчетов по сопоставлению интенсификаторов представлены на рис.7.4−7.6 и в табл.7.4 (номера линий графиков на рис.7.4–7.6

ив табл.7.3 и 7.4 совпадают). В таблицах обозначено: d − диаметр горла вы-

ступа, диаметр сферической выемки или выступа; ϕ − угол между осью трубы

испиральным выступом; H − поперечный размер некруглого канала; l − ширина сечения выступа, h – глубина/высота выемки/выступа.

Табл.7.4 и рис.7.3−7.4 – новая информация, интересная для теории интенсификации теплообмена и необходимая для практического целесообразного

455

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

внедрения интенсификаторов в энергооборудование с целью улучшения его технико-экономических показателей.

456

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

458