Каналы со сплошной шероховатостью стенки
Искусственная шероховатость поверхности создается путем нарезки, штамповки, накатки, навивки проволоки и другими методами. Она может быть сплошной (бугорки шероховатости покрывают всю поверхность) или дискретной. Интенсификация теплообмена посредством шероховатости е происходит за счет более раннего перехода от ламинарного течения к турбулентному по сравнению с гладкой стенкой, турбулизации пристенного слоя жидкости и увеличения поверхности теплообмена относительно гладкой. Турбулентные возмущения потока, генерируемые шероховатостью, одновременно с улучшением теплообмена повышают гидросопротивление.
Определяющее влияние на теплообмен и трение оказывает соотношение высоты шероховатости и толщины вязкого подслоя, форма бугорков также относится к ряду характеристик шероховатости, проявляющихся в процессах переноса. Для характеристики точечной шероховатости поверхности (например, конических выступов, расположенных в отдельных точках поверхности теплообмена) важны: концентрация – число элементов шероховатости на единичной площади поверхности; коэффициент увеличения поверхности φ – отношение площади поверхности одного погонного метра шероховатой трубы к площади поверхности гладкой трубы.
Диаметром окружности оснований бугорков шероховатости в шероховатой трубе. Указанные характеристики совместно с числом Рейнольдса потока влияют на течение и теплообмен около шероховатой стенки. Термическое сопротивление потока теплоносителя в основном сосредоточено в области ламинарного подслоя, поэтому с точки зрения физического механизма процесса теплообмена около шероховатой поверхности главное значение имеет величина отношения высоты шероховатости к толщине вязкого подслоя h/δ1. Влияние последней величины на течение и теплообмен изменяется в зависимости от числа Рейнольдса. Шероховатость может существенно увеличить поверхность (в 2 раза и более по сравнению с гладкой). Шероховатость способна значительно интенсифицировать теплообмен (в 3 раза и более) при умеренном росте сопротивления. Интенсификация теплообмена возможна как при течении в трубах, так и при поперечном обтекании пучка труб. Так, в трубе диаметром 0,0167 м с резьбой круглого профиля глубиной 0,000805 м, шагом 0,001517 м в опытах на воде наблюдалось увеличение теплоотдачи в 2,2 раза при росте гидросопротивления в 1,9 раза.
|
|
|
Анализ результатов экспериментального изучения теплоотдачи вшероховатых
трубах, неровность поверхности которых обеспечивалась нарезкой полного или усеченного профиля метрической резьбы достаточным диапазоном изменения шага 0,0003-0,002 м позволил сделать следующие выводы. В исследованном диапазоне шероховатостей форма выступов и относительная шероховатость не влияют на теплообмен, определяющее значение имеет величина поверхности шероховатости.
|
|
|
Теплоотдача и сопротивление увеличиваются пропорционально поверхности
Nu0,92= 0,0045φ Re; (10)
следовательно, необходимо использовать шероховатые поверхности с большими коэффициентами увеличения поверхности. Оценка эффективности шероховатых поверхностей с точечными выступами на основе энергетического коэффициента показала, что наибольшей эффективностью обладают поверхности с круглыми коническими выступами.
При вынужденном течении однофазной среды шероховатость стенки может обеспечить предельное увеличение теплоотдачи примерно в 4 раза (по сравнению с гладкой поверхностью), соответствующее возрастание гидросопротивления может достигать величины, в 58 раз превышающей уровень для гладкой стенки.
Сплошная шероховатость наружной и внутренней поверхностей трубы эффективна для повышения теплообмена в парогенераторах ПТУ и ядерных реакторов. В целях стимулирования теплообмена этот вид шероховатости может оказаться полезным и во многих других случаях. Для интенсификации теплообмена при поперечном обтекании тесных пучков труб технически целесообразно в потоке жидкости большой вязкости использовать шероховатость высотой h = 0,4-0,8 мм, в потоке воздуха – высотой h = 0,8-2 мм. Теплообмен может возрастать как за счет более раннего перехода к турбулентному режиму в пограничном слое, так и под влиянием турбулизации пристенной зоны турбулентного пограничного слоя.
|
|
|
Например, при относительной высоте шероховатости h/δ1 = 17·10 в пограничном слое существенно ускоряется переход от ламинарного к турбулентному обтеканию труб. Критическое число Рейнольдса снижается до 2,5·10 по сравнению с Re = 2·10 , характерным для гладкой стенки, что интенсифицирует теплообмен на 50% (по сравнению с гладкими трубами). При обтекании пучка труб потоком с докритическими числами Рейнольдса незначительная шероховатость не влияет на перенос тепла.
Формулы для расчета теплоотдачи и падения давления в шероховатых пучках в зависимости от относительной шероховатости труб даны в.
Реальные трубы, применяемые в теплообменном оборудовании, имеют естественную шероховатость, обусловленную технологией производства труб и условиями их эксплуатации. При расчете теплообмена и трения в таких трубах их, как правило, нельзя рассматривать как гидравлически гладкие, необходимо учитывать влияние шероховатости на переносные свойства потока в трубе. В 5 диапазоне умеренных чисел Рейнольдса (менее 10) определение теплоотдачи в трубах возможно на основе уравнений подобия вида Nu = f(Re; Pr; ε), где ε – коэффициент сопротивления для технических труб, его можно определить по эмпирической формуле Хаузена или с помощью понятия эквивалентной шероховатости.
|
|
|
Повышение теплообмена за счет естественной шероховатости, вероятно, объясняет частое совпадение уровня теплообмена в трубах действующих промышленных теплообменников с результатами расчета теплообмена в этих трубах по формулам для чистых гладких труб. Возможно, влияние шероховатости стенки, увеличивающее теплообмен, и влияние термического сопротивления загрязнений стенки, снижающее теплообмен, взаимно компенсируются. Для продольного межтрубного обтекания тесных пучков влияние шероховатости труб на теплообмен и потери давления аналогично проявлению шероховатости при течении в трубах (при условии использования в формулах для труб эквивалентного диаметра пучка).
Шероховатость может обеспечить существенную интенсификацию теплообмена в межтрубном потоке. При больших числах Рейнольдса (5 больше 10 ), когда интенсивность турбулентности в потоке высока, дополнительная турбулизация потока шероховатостью стенки относительно незначительна. Влияние формы и высоты бугорков шероховатости на гидросопротивление и теплообмен в трубе практически исчезает. Теплообмен и сопротивление зависят от φ.
Определение характеристик течения на плоской технически шероховатой поверхности возможно путем выявления общности его свойств с течением в шероховатой трубе.
Расчетные оценки, выполненные для течения в шероховатых трубах при умеренных и больших числах Рейнольдса, показывают, что по мере нарастания относительной высоты шероховатости увеличение теплоотдачи все более отстает от повышения гидросопротивления по сравнению с гладкой трубой. Сравнительная оценка тепловой эффективности сплошной и дискретной шероховатости приводит к следующему заключению: интенсификация теплоотдачи отдельными выступами (дискретными турбулизаторами пристенного слоя потока) до уровня, практически соответствующего сплошной шероховатости, достигается при существенно меньших потерях давления на гидросопротивление. Следовательно, дискретная шероховатость в качестве способа интенсификации теплообмена при разработке высокоэффективного теплообменного оборудования наиболее предпочтительна.
Дискретная шероховатость поверхности выполняется в форме отдельных точечных выступов, расположенных поперечно к потоку вдоль периметра поперечного сечения канала (или его части), форма выступов различна. Интенсификация теплоотдачи посредством дискретных выступов осуществляется за счет турбулизации и разрушения пристенной зоны турбулентного пограничного слоя.
Увеличение теплообмена и гидросопротивления при этом зависит от высоты выступа h, точнее, от соотношения ее с толщинами пограничного слоя δ и вязкого подслоя δ1; расстояния между выступами t или относительного шага t/h; формы выступов и их взаиморасположения.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 504; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!