Интенсификация теплообменапри ламинарном течении в каналахс дискретной шероховатостью
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Астраханский государственный технический университет»
Институт морских технологий энергетики и транспорта
Кафедра Теплоэнергетика и холодильные установки
Реферат
По дисциплине: «Интенсификация теплофизических процессов»
По теме: «Интенсификация теплообмена за счет изменения рельефа поверхности»
Выполнил студент группы ДТЕТБ-31/2
Милосердов Н.Д.
Проверил доцент
Глухов А.Н.
| |
Аннотация:
В настоящее время интенсификация конвективного теплообменаявляется одной из перспективных и сложных проблем теориипереноса теплоты. Традиционно считается, что эта задача наиболее актуальнадля теплоносителей, которым присущи высокие значения чисел Рейнольдса: при турбулентном режиме потока газа или жидкости. Практически все основополагающие монографии на темуинтенсификации конвективного теплообмена посвящены этой проблемеприменительно именно к большим числам Re и лишь немногие – при ламинарном течении.
Введение
Опыт создания и эксплуатации различных теплообменных аппаратов показал, что разработанные методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и массы устройств в 1,5 и более раза по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.
|
|
|
Разработаны различные методыинтенсификации теплообмена. Их классифицируютна две категории:
1) активные методы интенсификации: механическое воздействиена поверхность теплообмена (вращение или вибрация поверхности,перемешивание жидкости и т. п.); воздействие на потокэлектрическим магнитным или акустическим полем, пульсациямидавления; вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхностьи др.
2) пассивные методы, в основе которых - воздействие на потокформойповерхноститеплообмена:интенсификаторов(винтовых,закручивающих поток), оребрение поверхноститеплообмена и др.
Методы интенсификацииконвективного теплообмена относятся ко второй категории – пассивному методу, которые можно разделить на следующие группы:
1) придание потоку жидкости вращательно-поступательного движения;
2) разрушение пристенных слоев жидкости.
Первый способ заключается в создании закрученного движенияпотока с помощью ленточных, шнековых и пластинчатыхзавихрителей. Такие завихрители воздействуют на весь поток. Второйспособ состоит в воздействии на пристенную область течения за счетискусственной шероховатости в виде различных вариантов накаток навнутренней стенке труб, проволочных спиралей и т. п. Именно последний способ интенсификации рассмотрим ниже.
|
|
|
Сравнительная эффективность методов
Для сопоставления тепловой эффективности различных поконструкции интенсификаторов на основании экспериментоввозможно использование соотношения:
(Nu/Nu0) = f(Re), (1)
где индекс «0» означает гладкую поверхность теплообмена.
Зависимость(1) характеризует увеличение коэффициентатеплоотдачи в трубе с интенсификатором по сравнению скоэффициентом теплоотдачи в гладкой трубе.
На рис. 1 представлены результаты опытных данныхв виде зависимости Nu/Nu0от числа Re, при этом чисела Нуссельта были приведены к числам Рейнольдса, соответствующим гладкой трубе. Такаясравнительная оценка опытных данных позволяетсделать вывод, что с точки зрения тепловых эффектов наиболееперспективны методы интенсификации конвективного теплообменав вязких средах, воздействующие на пристенную область примененияинтенсификаторов теплообмена. Изрис. 1, наибольшие эффекты увеличения теплоотдачи возникают вдиапазоне чисел Re до 3000, т.е. в ламинарной области течения и в области слаборазвитой турбулентности.
|
|
|
Рис. 1. Сопоставление опытных данных по теплоотдаче втрубах с интенсификаторами теплообмена: 1, 1′ – шнековыйзавихритель, φ = 45 и 75о; 2′, 2 – поперечная накатка, d/D =0,983 и 0,875; 3′, 3 – спиральная накатка, S/D = 3,25 и 1;4′, 4 – проволочный спиральный завихритель, S/D = 2,17 и 0,724; 5′, 5 – ленточный завихритель, S/D = 19 и 3,16.
Для методов, основанных на применении искусственнойпериодической шероховатости, это связано с возникновением иразвитием вихрей за элементом выступа. С постепенным ростомтурбулентности значение Nu/Nu0 несколько снижается, оставаясь, темне менее, значительно выше единицы. При числах Re>8000превалирующее влияние на теплообмен будет оказыватьтурбулентность, а роль вихрей постепенно снижается.
Поэтому для сопоставления полной эффективности различных по конструкции интенсификаторов часто применяютсоотношение:
(Nu / Nu0) / (ξ / ξ0) = f (Re), (2)
характеризующего увеличение интенсивноститеплообмена в трубе с интенсификатором на единицу дополнительнозатраченной энергии.
Сравнительная оценка теплоотдачи для различных типовинтенсификаторов представлена на рис. 3. ЗдесьК*- соответствующие каждому эксперименту критериальныеуравнения для расчета чисел Nu. Эффективным способом интенсификации является применение многозаходных спиральных канавок навнутреннейповерхноститруб,созданныхметодомэлектрохимической обработки.
|
|
|
Рис.3. Теплоотдача в трубах с различными типамиинтенсификаторов:
1 – спиральные канавки; 2 – ленточныйзавихритель; 3 – винтовой змеевик; 4 – лопаточный завихритель; 5– гладкая труба.
Приведенный выше анализ показал целесообразность применения пассивных методов интенсификации теплообмена для ламинарногорежима течения. Очевидна высокая эффективностьдискретной шероховатости в данных условиях при ее несомненнойтехнологичности.
Интенсификация теплообменапри ламинарном течении в каналахс дискретной шероховатостью
Каналы с винтовой накаткой
Важным аспектом применения интенсификаторов являетсяоценка эффективности их конструкций. Как отмечено выше, один изспособов оценки- это определение тепло-гидродинамическойэффективности метода при помощи формулы (2). Зависимость (2) даетвозможность определить наиболее предпочтительную областьприменения интенсификатора в плане числа Рейнольдса, найтиоптимальныегеометрическиехарактеристики.
Возрастание гидродинамического сопротивления, влияющей на затратыэнергии, необходимые для прокачки рабочей среды,заставляет произвести оценку и энергетической эффективности. Для оценкитолько тепловой эффективности в исследованиях используетсясоотношение (1).
Нижерассмотренырезультатыэкспериментовпоинтенсификации теплообмена в вязких ньютоновских жидкостях спомощью винтовой накатки. В процессе исследований значениячисел Рейнольдса изменяли в диапазоне от 30 до 2000. Рабочейсредой являлось трансформаторное масло. Использованныехарактерные геометрические размеры труб приведены в табл. 1.
Таблица 2.1
Геометрические характеристики труб с винтовой накаткой
| Номер трубы | Внутренний диаметр трубы D, м | Наружный диаметр трубы D, м | Относительный шаг винтовкой накатки S/D | Относительная высота выступа винтовой накатки, d/D | Эквивалентный диаметр D, мм |
| 0 | - | 1,0 | 1,4 | ||
| 1 | 0,72 | 0,72 | 6,95 | ||
| 2 | 1,79 | 0,72 | 9,96 | ||
| 3 | 2,86 | 0,72 | 10,85 | ||
| 4 | 0,014 | 0,016 | 4,29 | 0,72 | 11,29 |
| 5 | 1,79 | 0,79 | 10,97 | ||
| 6 | 1,79 | 0,82 | 11,58 | ||
| 7 | 1,79 | 0,86 | 11,98 |
Гидравлическое сопротивление. В исследуемой областизначений числа Re гидравлическое сопротивление при ламинарномтечении трансформаторного масла в гладкой трубе описывалосьизвестным соотношением ξ = 64/Re.Экспериментальные данные, полученные для исследуемых труб свинтовой накаткой при изотермическом режиме течения, показализаметное повышение гидравлического сопротивления.
На рис. 4 представлены зависимости ξ = f(Re) для всехиспытываемых труб с винтовой накаткой и гладкой трубы. Как видноиз рисунка, рост гидравлического сопротивления зависит от геометрических характеристик канала. Максимальноеувеличение гидравлического сопротивления достигается приустановке трубы, имеющей минимальный шаг винтовой накаткии максимальную высоту выступа. Из рис. 4также следует, что для всех испытываемых труб с винтовой накаткойможно выделить два режима течения, различающихся характеромзависимости ξ = f(Re).
Рис.4. Экспериментальная зависимость ξ=f(Re) длятрансформаторного масла в трубах с винтовой накаткой: 0–7 -номера труб в соответствии с табл. 1.
При первом режиме до некоторого значения Рейнольдса линия ξ = f(Re) параллельна линии ξ = 64/Re: в этой области повышение гидравлическогосопротивлениявызваноналичиемнебольшихзавихренийнепосредственно за выступом винтовой накатки. По достижениизначениякритического числа Rе* осуществляется переход ко второй области,характеризуемойзначительнымповышениемкоэффициентагидравлического сопротивления. В этом режиме отмечалось расширение зонывихревых возмущений, т. е. увеличение турбулентности течения,сопровождающаясярезкимповышениемгидравлическогосопротивления. Для первого режима свойственно повышениегидравлического сопротивления на30-200% по отношению ксопротивлению гладкой трубы. Для области, соответствующейвторому режиму, этот показатель составлял до 350-600%.
Критическое значение Rе* для труб с винтовой накаткой смещаетсявдоль линии ξ = 64/Re с уменьшением высоты накатки и увеличением еешага в сторону больших значений чисел Рейнольдса. Так, разница между Re* трубы снаименьшим шагом накаткиS/D = 0,72 и наибольшей высотойd/D = 0,72 Re* = 148,9 и для трубой с S/D = 4,29 и d/D = 0,86 Re* = 564,8 - в 4 раза.
Теплообмен. На рис. 5 и 6 показаны экспериментальныезависимости Nu = f(Re) для труб с различными геометрическимихарактеристиками винтовой накатки. На рис. 6 представленызависимости среднего по экспериментальному участку числаNu = f(Re) для накатанных труб с варьирующимся шагом S/D = 0,72;1,79; 2,86 и 4,29. Для всех четырех труб d/D = 0,72. На рис. 7представлены зависимости Nu = f(Re) для труб с фиксированным значением шага винтовой накатки S/D = 1,79 и варьирующимися высотами d/D = 0,72; 0,79; 0,82 и 0,86.
Рис. 5. Экспериментальная зависимость Nu = f(Re) для S/D = 0,72; 1,79; 2,86 и 4,29 (d/D = 0,72) для трансформаторного масла; обозначения те же, что на рис. 3.
Здесь также, как и при рассмотрении характера зависимости ξ = f(Re), можно отметить два режима, различающихся характером и интенсивностью теплообменных процессов. Как видно из рис. 3 - 6, критические значения Re* перехода от одного режима к другому на данных графиках практически совпадают.
На рис.5 и 6 показано применение интенсификатора в форме винтовой накатки - это дает значительно повышаетинтенсивность теплообмена по сравнению с гладкой трубой.
Максимальный эффект достигается для трубы с минимальным шагом винтовой накатки S/D = 0,72 (рис. 6). С ростом шага винтовой накатки отмечается сближение графиков Nu = f(Re) и Nu0 = f(Re) для гладкой трубы, смещение точки критического значения Re* в сторону больших чисел Re. Делаем вывод о заметном влиянии шага винтовой накатки на интенсивность теплообменных процессов. С ростом высоты винтовой накатки также проявляется тенденция к росту интенсивности теплообмена (рис. 6).
Рис. 6 Экспериментальная зависимость Nu = f(Re) для S/D = 0,72; 1,79; 2,86 и 4,29 (d/D = 1,79) для трансформаторного масла.
Рис. 7. Тепло-гидравлическая эффективность труб с винтовой накаткой; обозначения те же, что на рис. 3.
Для режима течения при Re < Re*: в этой области характер теплообмена чисто ламинарный. При этом отмечается эффект интенсификации, составляющий 40-250% в зависимости от геометрических параметров винтовой накатки.
По достижении критического значения числа Re* происходит резкое увеличение интенсивности теплообмена, в то же время эффект интенсификации достигает 150-700%. Это указывает на переход кламинарному режиму с макровихрями.
Для определения критического числа Re* перехода от первого режима ко второму в зависимости от конструктивных характеристик тепловых элементов получено соотношение Re* = f(S/D,d/D).
Установлено, что для всех испытываемых труб соотношение имеет вид:
(3)
Для определения тепло-гидравлической эффективности данного метода интенсификации получены экспериментальные зависимости (Nu/Nu0)/(ξ/ ξ0). Как видно из рис. 7, тепло-гидравлическая эффективность непосредственно зависит от геометрических характеристиктаких как шаг и высота накаткиисследуемого канала. Установлено, что наиболее рационально использовать трубы с относительными шагами S/D = 1,79 и 0,72 и относительной высотой d/D = 0,72. При этом темп роста эффективности теплоотдачи превышает рост гидравлического сопротивления для первого режима (Re < Re*) на 10-15%, а для второго - на 25%.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 1016; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!