Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Обсудим эту информацию, подчеркнув, что сравнение интенсификаторов проведено, как и в работе [33], при следующих одинаковых для всех каналов условиях Re; L; D = idem , а следовательно для случаев F; G ; V = idem ( F− площадь внутренней поверхности канала; G ; V − массовый и объемный расходы теплоносителя через канал). Одновременно важно заметить: сопоставление выполнено только для экспериментально исследованного диапазона чисел Re и геометрических размеров интенсификаторов.

Рис.7.4. Сравнение эффективности различных поверхностных интенсификаторов теплоотдачи при их оптимальных геометрических параметрах. Обозначения по таблице 7.3.

459

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.7.5. Сравнение теплоотдачи в каналах с различными поверхностными интенсификаторами теплоотдачи при их оптимальных геометрических параметрах. Обозначения по таблице 7.3.

Рис.7.6. Сравнение гидравлического сопротивления в каналах с различными поверхностными интенсификаторами теплоотдачи при их оптимальных гео-

метрических параметрах. Обозначения по таблице 7.3.

В области чисел Re =80 −1000 максимальная эффективность характерна для кольцевых поперечных выступов относительно большой высоты hD ≤ 0,1,

460

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

линия 3, рис.7.4. При оптимальных геометрических параметрах выступов обеспечиваются необычно значительные эффекты интенсификации (по сравнению с турбулентным режимом): увеличение интенсивности теплоотдачи в зависимости от числа Re достигает NuNuгл = 6,5 , при этом нарастание уровня тепло-

обмена существенно опережает соответствующее увеличение сопротивления, ограниченное значением ξξгл =1,75 . По сравнению со всеми остальными рас-

сматриваемыми интенсификаторами поперечные выступы, линии 3, гарантируют максимальную теплоотдачу, рис.7.5, и почти минимальное сопротивление, рис.7.6. Как следствие, повышение эффективности интенсифицированного канала до величины E′ = 3,72 , рис.7.4−7.6, линии 3, табл.7.4. Оптимальная высота выступов равна hD = 0,1.

Если учитывать основные факторы, определяющие целесообразность ис-

пользования некоторого интенсификатора в технике: эффективность, техноло-

гию производства и его стоимость, прочность интенсифицированного канала и другие факторы, то следует заключить, что в интервале чисел Re =80 −1000 поперечные кольцевые выступы являются (как и в турбулентном потоке) наиболее перспективным типом интенсификаторов теплоотдачи. Промышленное

использование этих интенсификаторов позволит многократно снизить массу,

стоимость и габариты теплообменного оборудования при одновременном улучшении его энергосберегающих и экологических свойств.

Поперечные выступы высотой hD = 0,1, соответствующие линиям 6, со-

действовали одинаково значительной интенсификации теплоотдачи со случаем

линий 3, рис.7.5. Максимальное увеличение коэффициента теплоотдачи оказа-

лось равно NuNu гл =10 , линия 6, рис.7.5. Однако наблюдавшиеся в опытах [3,

47] автоколебания потока, возникающие под влиянием отрывных когерентных структур, генерируемых выступами, привели к весьма значительному росту со-

противления канала ( ξξгл ≤100), рис.7.6, линия 6, и резкому падению эффек-

тивности канала с выступами − E′≤ 0,1, линия 6, рис.7.4, табл.7.4. Возможность

появления автоколебаний и резонанса потока в каналах с интенсификаторами и

негативные последствия колебаний для работы теплообменников требуют пристального изучения этой малоисследованной проблемы [48,49].

Поперечные выступы относительно меньшей высоты hD ≤ 0,0625, линии

10, при почти одинаковых величинах сопротивления канала ξξгл (по сравнению с выступами высотой hD ≤ 0,1, линии 3) позволяют достигать существен-

листов статорного железа в охлаждающем канале статора электромашины и занимающие только часть контура поперечного сечения круглого канала, обладают достаточно высокой теплообменной способностью NuNu гл ≤ 4,64 и

461

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

вполне приемлемой эффективностью E′≤1,59 при относительно повышенных

числах Re = 600 − 2500 .

Анализ результатов экспериментальных исследований каналов с кольцевыми поперечными выступами − интенсификаторами теплоотдачи при различных геометрических параметрах и форме выступов убеждает в том, что макси-

мальная эффективность присуща выступам, соответствующим линиям 3 [39]. В

изученном интервале чисел Re оптимальные размеры выступов равны: hD = 0,1; tD = 0,66 , табл.7.4.

Взаимное расположение линий 3; 6; 10; 8, рис.7.5, и соответствующее снижение уровня интенсивности теплоотдачи от линий 3; 6 к линии 10 и далее к линии 8 указывает на определяющую роль высоты выступов hD для дости-

жения высоких коэффициентов теплоотдачи и максимальной эффективности канала. По мере уменьшения высоты hD параметры NuNuгл и E′ снижают-

ся. Оказывается, что для не частых выступов (линии 3; 10) высота выступов значительно влияет на теплоотдачу (рис.7.5) и в меньшей степени изменяет со-

противление канала (рис.7.6). Вполне очевидно: высота выступа определяет ос-

новной фактор интенсификации теплообмена − величину импульса возмуще-

ния, вносимого выступом в поток. Соответственно, от уровня возмущения зависят некоторые вторичные факторы: скорость релаксации внутреннего погра-

ничного слоя за выступом [50] и ускорение ламинарно-турбулентного перехода

в этом слое [51]. Процессы релаксации и перехода весьма заметным образом влияют на интенсивность явлений переноса в пристенной области течения. Следовательно, высота выступов − основополагающий параметр для формиро-

вания теплогидравлических свойств интенсифицированных каналов. В некото-

рой мере вторично, но несомненно и принципиально важно для интенсификации значение шага выступов, т.е. частоты их установки вдоль канала

[3,33,36,37].

Оптимальная высота выступов в номинально ламинарной области режимов течения в 2 и более раз превышает размер выступов, целесообразных для

интенсификации турбулентных потоков.

С позиций внедрения выступов-интенсификаторов в технику следует отметить позитивный факт – оптимальная высота выступов для интенсификации

ламинарной теплоотдачи относительно мала, а шаг выступов достаточно боль-

шой, поэтому не потребуется значительная деформация стенки при производ-

стве интенсифицированных труб, соответственно, технология накатки выступов на трубах не должна быть дорогостоящей.

Анализ теплогидравлических качеств каналов со спиральными выступами

и спиральными проволочными вставками затруднен тем обстоятельством, что, к сожалению, в литературных источниках, соответствующих линиям 4; 9; 14 (табл.7.3), частично или полностью отсутствуют сведения по величинам h , t , или имеются опечатки в уравнениях подобия для расчета параметров Nu , ξ. Однако некоторые выводы могут быть сформулированы.

462

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Расположение линий 2; 4; 5; 9; 14, рис.7.4, показывает, что в интервале Re = 70 −1000 эффективность спиральных выступов и вставок существенно ниже, чем для поперечных выступов (линия 3). В почти неисследованной об-

размерами кольцевых поперечных выступов ( hD = 0,1, линия 3), угол ϕ = 76

фактически переводит спиральную вставку в разряд поперечных выступов (при больших углах ϕ закрутка потока пренебрежимо мала).

Эффективность вставок, линия 5, рис.7.4, резко ухудшается в диапазоне Re =100 −1000 . Теплогидродинамическое совершенство проволочных вставок возможно улучшить, если использовать увеличенный параметр hD = 0,17 и

сравнительно большой шаг спирали tD = 4,3 , который содействует заметной

закрутке потока, линия 2, рис.7.4, табл.7.4. Другой вставке, линия 9, рис.7.4,

также соответствует увеличенный оптимальный шаг tD = 6,5 , табл.7.4. Однако

и в этих случаях эффективность вставок ниже, чем поперечных выступов.

Эффективность кольцевых поперечных канавок, линия 11, рис.7.4, уступает показателям низких поперечных выступов, линия 10, рис.7.4, 7.5. Сопро-

тивление этих выступов и канавок одинаково, линии 10, 11, рис.7.3, т.е. гидро-

динамическое воздействие на поток в обоих случаях тождественно, как в опытах Вигхардта, для цилиндрических выступов и выемок [33].

Низшая эффективность характерна для поперечных диафрагм, линии 7, рис.7.4−7.6, которым соответствует максимальное сопротивление.

Прогноз, сделанный в [33], относительно перспектив применения сферических выемок для интенсификации теплоотдачи ламинарных потоков подтвердился в ходе экспериментальных исследований. Сферические выемки, линии 13, рис.7.4−7.6, табл.7.3−7.4, обеспечили в диапазоне Re =1000 − 2000 опережающий рост интенсивности теплоотдачи (достигающий NuNuгл ≤ 3) по

сравнению с увеличением сопротивления (которое не превысило ξξгл ≤1,8 ). Соответственно, достигнута повышенная эффективность канала с выемками E′ ≈1,7 относительно гладкой трубы. Следовательно, сферические выемки

вполне рационально использовать для интенсификации ламинарной теплоотда-

чи, выигрыш от уменьшения массы, габаритов и стоимости теплообменников очевиден.

Сферические выступы, линии 12, рис.7.4−7.6, гарантируют большие коэффициенты теплоотдачи ( NuNuгл ≤ 5 ), чем выемки. Но в случае выступов

нарастание теплоотдачи достигается за счет одинакового или опережающего роста сопротивления канала (особенно при Re <1500), поэтому эффективность выступов заметно ниже, чем у выемок, табл.7.4.

463

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Интересно сопоставить оптимальные геометрические параметры сферических выемок и выступов, линии 12; 13, табл.7.4, которым соответствует максимальная эффективность таких интенсифицированных каналов.

Оптимальные поперечные размеры выемок и выступов одинаковы h d = h0 = 0,21 и равны наименьшему значению этого размера в области иссле-

дованных величин h0 . Для выемок, линия 13, табл.7.5, в изученном интервале

Re = 400 − 2000 , вероятно, реализовалась картина обтекания выемки без присоединения основного потока к дну выемки [33]. (Более значительных эффектов интенсификации следует ожидать при отрывном обтекании относительно

мелких выемок h0 < 0,1 с присоединением течения на дне выемки [33]). Необ-

ходимость формирования систематизированных представлений по интенсификации ламинарной теплоотдачи требует проведения исследований эффективно-

сти каналов с мелкими выемками h0 = 0,04 −0,1(0,2), в которых отрывное обтекание выемки сопровождается присоединением потока к дну выемки.

Оптимальные относительные (к каналу) размеры выемки h H = hл = 0,3 и выступа h H = hсф = 0,186 существенно различны. В исследованном диапазоне величин h л и hсф (табл.7.3) значение h л = 0,3 примерно совпадает со средней величиной. Параметр hсф = 0,186 является минимальным. Соотношение разме-

ров H d = Hкл = 0,71 и H d = Hк,сф =1,12 имеет обратный характер: Hк,сф > Hкл. Возможно предполагать, что в рассматриваемых результатах ана-

лиза эффективности выемок и выступов проявляется следующая логика теплогидравлических процессов. Теплоотдача каналов с выемками значительно повышается в случае стесненных каналов, сопротивление канала почти не зависит от размера Hкл [4,33], поэтому наиболее выгодным оказался минимальный (из

исследованных) размер канала Hкл = 0,71. При этом выемка, углубленная в стенку канала, может быть достаточно глубокой h л = 0,3 для достижения повышенных значений NuNuгл . Выступы, загромождающие проходное сечение

канала, весьма заметно (по сравнению с выемками) увеличивают сопротивление канала: параметр ξξгл для выступов более чем в 2 раза превышает соот-

ветствующее значение для выемок, табл.7.4. Поэтому для выступов предпочтительными оказались минимальный размер высоты выступа hсф = 0,186 и боль-

шее проходное сечение канала Hк,сф =1,12 . Для полноты и надежности сужде-

ний об интенсификации ламинарной теплоотдачи посредством сферических выступов необходимо экспериментально выяснить эффективность каналов с

низкими выступами h0 = 0,04 −0,2 ; hсф = 0,05 − 0,2.

Результаты авторов по исследованию сферических выемок и выступов приведены в работе [53].

464

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Замечания об актуальности дальнейшего опытного изучения эффективности мелких выемок и низких выступов не умаляют ценность представленных в данной работе новых эмпирических результатов по исследованию эффективности обсуждаемых интенсификаторов, так как эти результаты получены в достаточно широком и теплогидравлически обоснованном диапазоне определяющих

параметров h0 ; h л ; hсф; Hкл; Нк,сф; табл.7.3. Следовательно, рекомендации по

оптимальным размерам выемок и выступов, содержащиеся в табл.7.4, являются новой информацией, полезной для теории и практики разработки перспективного теплообменного оборудования повышенной эффективности.

Целесообразно дать некоторые общие соображения по результатам анализа эффективности всех рассмотренных интенсификаторов теплоотдачи.

Теплоотдача во всех интенсифицированных каналах, рис.7.5, более интенсивна, чем в гладкой трубе. Интенсификация теплоотдачи достигает значения NuNuгл =10 . Только в случае канавок, линия 11, в области малых чисел

Re теплоотдача падает ниже уровня гладкой трубы, что наблюдалось рядом исследователей и имеет известное объяснение [3,7,36]. Степень нарастания коэффициентов теплоотдачи в зависимости от числа Re для ряда интенсификаторов, линии 2; 3; 6; 9; 10; 11; 13, практически одинакова, что свидетельствует в пользу идентичности механизмов интенсификации теплоотдачи для поперечных выступов и канавок, проволочных спиральных вставок, сферических выемок. Показательно совпадение интенсивности и характера нарастания теплоотдачи для канавок и выемок, линии 11; 13.

Сопротивление каналов с любыми интенсификаторами, рис.7.6, больше, чем гладкой трубы. Сопротивление каналов с некоторыми интенсификаторами, линии 3; 9; 10; 11; 13, почти одинаково на отдельном участке или на всем интервале чисел Re =100 −1000 , что также подтверждает теплогидравлическую общность механизмов интенсификации для вышеуказанных интенсификаторов. Этот вывод принципиально важен для теории и практики интенсификации теплообмена.

Соотношение Emax′ ≤1, имеющее место для ряда интенсификаторов в не-

которой области чисел Re, рис.7.4, совершенно не означает, что каналы с данными интенсификаторами всегда менее эффективны, чем гладкие. Выражение Emax′ ≤1 справедливо для этих интенсификаторов лишь при принятых здесь ус-

ловиях их сравнения, в частности, для Re = idem для интенсифицированного и гладкого каналов [35].

Проведенный анализ эффективности различных интенсификаторов теплоотдачи позволяет утверждать, что промышленное применение интенсифицированных каналов гарантирует многократное повышение теплопроизводительности теплообменников или соответствующее снижение металлоемкости интенсифицированного теплообменного оборудования по сравнению с гладкотрубными серийными вариантами. Значительно повышается энергосберегающая способность интенсифицированного оборудования по сравнению с обычным.

465

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Основные результаты приведенного анализа изложены авторами в рабо-

тах [35,54–58].

7.6.Выводы

1.Приведен краткий обзор литературы по интенсификации теплоотдачи посредством наиболее перспективных интенсификаторов теплообмена, для которых обсуждены механизмы интенсификации.

2.Представлена научно-техническая информация: систематизированные характеристики эффективности ряда интенсификаторов, таблица их оптимальных геометрических параметров. Указанные сведения необходимы для теории

ипрактики проектирования и модернизации теплообменного оборудования.

4.Установлена существенная физическая общность теплогидравлических механизмов интенсификации теплоотдачи для целого ряда интенсификаторов.

5.Обоснована необходимость дальнейших опытных исследований эффективности всех наиболее выгодных интенсификаторов теплообмена в широком диапазоне изменения их геометрических размеров в номинально ламинарной области течения. Подчеркнута необходимость изучения ламинарнотурбулентного перехода в интенсифицированных каналах.

6.Представлены технические рекомендации для повышения экономических показателей теплообменного оборудования, в том числе водоподогревателей, маслоохладителей и мазутоподогревателей котельных и ТЭС.

466