Каналы со спирально-винтовыми проволочными вставками
Этот способ интенсификации применительно к ламинарному режиму течения ранее был практически не изучен. Поэтому во время исследованииего ставилисьдве цели:
1) получить данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению при ламинарном течении в трубах со спиральными проволочными вставками;
2) провести оценку эффективности этого метода интенсификации теплообмена по сравнению с гладкой трубой.
В качестве рабочей среды использовалось трансформаторное масло. В опытах число Рейнольдса изменялось в диапазоне от 40 до 2000 Характерные геометрические размеры канала приведены в табл. 2.
Гидравлическое сопротивление. Для оценки изменениягидравлического сопротивления отдельно проводились исследованияпри изотермическом течении вязкой жидкости.
В исследованном диапазоне 40 < Re < 2000 опытные значениякоэффициентов гидравлического сопротивления ξ при ламинарномтечении в гладкой трубе с описывалисьсоотношением: ξ0 = 64/Re±6%. При использовании труб совставками из проволочных спиралей значения коэффициентовгидравлического сопротивления заметно увеличились. На рис. 2.6показано изменение ξ в зависимости от Re для всех исследованныхтруб. Было установлено, что при низких значениях Re увеличениекоэффициента сопротивления по сравнению с гладкой трубойсоставляло 100-300%. При более высоких числах Re оно было весьмазначительно и достигало1000% и более в зависимости отгеометрических размеров спиралей. Это объясняется тем, чтопри низких значениях чисел Re, соответствующих малым расходам,жидкостьобтекаетпроволочнуюспираль,иувеличениекоэффициентов сопротивления обусловлено наличиеммалых вихрей за проволокой. При увеличении расхода текущей жидкости, а заодно, и числа Re благодаря наличию проволочной спирали возникают вторичные течения.Происходит турбулизация течения, приводящая к сильному росту значенийкоэффициентов гидравлическогосопротивления. Подобные эффекты наблюдались прииспользовании труб со вставками из скрученных лент.
|
|
|
Для каждого вида течения существует критическое число Рейнольдса Re*, которое определяет переход от ламинарного течения к турбулентному. ПриRe<Re* течение происходит в ламинарном режиме, при Re > Re* возможно возникновение турбулентности. Его значениезависит от геометрических характеристик проволочной спирали. Внашем случае значение Re* менялось от 94 до 325. Значение критического числа Re* может быть рассчитано по уравнению:
Re* = 415(S/D)0,73exp (-7,8d/D). (4)
Обобщение опытных данных позволило получить уравнения длярасчета значений коэффициента гидравлического сопротивления дляобеих зон сопротивления:
|
|
|
ξ = 64/Re exp[-(S/D)0,5] exp[5,5 (d/D) 0,4- ], при Re < Re*; (5)
ξ = 530 R-0,36(d/D)1,4exp[(S/D)0,65], приRe>Re*. (6)
Область применения зависимостей:
S/D = 0,71-4,3; d/D = 0,071-0,17.
Рис.8.Влияние числа Рейнольдса на гидравлическоесопротивление в трубах с проволочными вставками: 1 - d/D = 0,171,S/D = 0,714; 2 - d/D = 0,171, S/D = 1,786; 3 - d/D = 0,171, S/D = 2,86;4 - d/D = 0,171, S/D = 4,3; 5 - d/D = 0,107, S/D = 1,786; 6 - d/D = 0,0857,S/D = 1,786; 7 - d/D = 0,0714, S/D = 1,786; 8 - гладкая труба.
Теплообмен. Анализ результатов опытов показал, что вклад свободной конвекции в теплообмен мал вследствие высокой вязкости и малого диаметра трубы. На рис. 9 показано изменение коэффициента теплоотдачи α: увеличение числа Nu при течении жидкости в трубах с вставками из проволочных спиралей по сравнению с гладкой трубой достигало 200-450% в зависимости от геометрических характеристик спиралей.
Увеличение коэффициента теплоотдачи в трубах с вставками в 2-4,5 раза в зависимости от геометрических параметров нельзя объяснить увеличением площади теплообменной поверхности, которое не превышало 10 - 60% по сравнению с гладкой трубой.Было установлено, что для всех исследованных труб с проволочными вставками Nu ~ Re0,7,т.е. влияние числа Нуссельта на теплообмен оказывается близким турбулентному режиму. С уменьшением чисел Re < 100 интенсивность теплообмена постепенно приближалась к теплоотдаче в гладкой трубе. Например, для трубы с вставкой при Re = 100 теплоотдача в ней одинакова с интенсивностью теплообмена в гладкой трубе. Заметное влияние на теплообмен оказывал относительный диаметр проволоки спирали. Было получено, что Nu ~ (d/D)0,72 ростом значений d/D интенсивность теплообмена увеличивалась. На теплообмен существенное влияние оказывал и относительный шаг проволочной опирали S/D. Анализ полученных результатов показал, что увеличение шага приводило к ухудшению теплообмена. Было установлено, что Nu ~ (9 - S/D)0,5.
|
|
|
Для применения в расчетной практике получено обобщающее уравнение:
(7)
Тепло-гидравлическая эффективность.
Установлено, что для всех исследованных труб темп роста гидравлического сопротивления превалировал над темпом роста интенсивности теплообмена. В результате увеличения числа Re коэффициент гидравлического сопротивления возрастает быстрее, чем теплоотдача.
Таким образом, на основании проведенных исследований для интенсификации конвективного теплообмена при ламинарном течении вязкой жидкости можно рекомендовать проволочные спиральные вставки, если имеется запас мощности нагнетателей.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 554; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!