Каналы с поперечными кольцевыми выступами
Турбулентное течение теплоносителей, которому соответствует интенсивный «молярный»механизм переноса тепла,предпочтительнее ламинарного, поэтому широко реализуется втеплообменниках..
Экспериментально установлено, что турбулентная теплопроводность очень мала в пристенной области и резко возрастает за ее пределами, в пристенной области справедливо соотношение λ >>λт, в ядре, наоборот: λ <<λт. При фиксированных температурном напоре между потоком и стенкой, числе Рейнольдса и λ величина qл постоянна. Следовательно, для интенсификации теплоотдачи необходимо увеличить турбулентную теплопроводность в тонком пристенном слое жидкости за счет турбулизации пристенной области. Турбулизация течения в ядре потока нецелесообразна, так как турбулентная теплопроводность в ядре в несколько раз превышает ее уровень в пристенной области. Дальнейшее увеличение турбулентности потока в ядре практически не окажет влияния на величину теплового потока, однако значительно увеличит гидравлические потери. При условии технического осуществления турбулизации течения в тонком пристенном слое теплообмен между стенкой и теплоносителем значительно возрастает для неизменных величин температурного напора и числа Рейнольдса основного течения, а потери давления увеличатся незначительно.
Рис. 25. Канал с поперечными кольцевыми выступами.
|
|
|
Простой способ реализации описанного принципа интенсификации теплообмена заключается в установке вдоль трубы ряда диафрагм (колец), за которыми в потоке образуются вихревые структуры (рис. 25). Вихревая зона потребляет энергию осредненного движения основного потока и частично возвращает ее в поток, главным образом, в области прилежащей к диафрагме части границы вихря АВ в виде кинетической энергии пульсационного движения, которая в форме крупных пульсаций скорости сносится основным потоком вдоль линий тока и диффундирует в стороны от них. Перемещаясь вниз по потоку, энергия крупных пульсаций скорости передается более мелким пульсациям, которые постепенно затухают, их кинетическая энергия переходит в тепло, т.е. происходит диссипация энергии. Опытом установлено, что распространение пульсации поперек потока происходит сравнительно медленно. При достаточно малой высоте диафрагмы h за ней формируется небольшая отрывная зона течения теплоносителя (вихрь), граница которой с потоком (линия АВ) расположена близко к стенке. Поэтому небольшой вихрь обеспечит усиление пульсации (пульсационное разрушение пристенной области), или увеличение турбулентной теплопроводности, в тонкой пристенной области; существенная интенсификация теплоотдачи произойдет при незначительном увеличении потерь давления.
|
|
|
Диафрагмы целесообразно располагать на таких расстояниях друг от друга, чтобы кинетическая энергия пульсации от вихря предыдущей диафрагмыуспевала частично диссипировать на пути до следующей диафрагмы.
В этом случае диффузия пульсации в ядро будет незначительна.
Большая высота колец h энергетически невыгодна, она приводит к значительной и бесполезной с точки зрения интенсификации теплообмена турбулизации ядра и большим гидравлическим потерям.
Интенсификацию теплоотдачи можно осуществить аналогичным образом при помощи вихревого течения, образующегося в поперечной канавке на стенке трубы. Выступы и канавки в качестве турбулизаторов течения могут использоваться для интенсификации теплообмена на плоской поверхности, в кольцевых каналах и т.д. Турбулизаторы, значительно изменяющие площадь поперечного сечения канала, энергетически нецелесообразны. Они могут обеспечивать интенсификацию теплообмена в 10 и более раз, т.е. существенно больше, чем турбулизаторы с малым гидросопротивлением, однако увеличение сопротивления при этом значительно опережает рост теплоотдачи.
|
|
|
Турбулизаторы, интенсивно воздействующие на весь поток теплоносителя, можно применять в тех случаях, когда потери давления не ограничиваются.
Тепловая эффективность труб с внутренними выступами.
Оценка тепловой эффективности труб с внутренними выступами на основе энергетического коэффициента продемонстрировала их превосходство над гладкими трубами.
При интенсификации теплоотдачи в трубах весьма эффективны низкие поперечные кольцевые выступы (рис. 3.12), наиболее просто получаемые накаткой. Экспериментально обнаружено, что в области относительно малых чисел Рейнольдса и сравнительнобольших относительных шагов выступа турбулизация потока приводит к выгодному соотношению между нарастанием теплообмена и увеличением сопротивления. Теоретически и опытным путем доказано, что возможно опережающее нарастание теплообмена по сравнению с увеличением гидросопротивления. Повышение числа Рейнольдса течения снижает положительный эффект интенсификации теплообмена. Объясняется это следующим. При увеличении числа Re термическое сопротивление потока сосредотачивается во все более тонкой пристенной зоне течения, турбулизация которой для интенсификации теплообмена на стенке целесообразна таким выступом, высота которого соизмерима с поперечным размером этой зоны потока. Выступ большей высоты внедряется в турбулентное ядро течения, где обтекание выступа синтенсивным вихреобразованием вносит большие возмущения в поток.
|
|
|
Рис. 26. Труба с кольцевыми накатками.
Следовательно, увеличение числа Рейнольдса приводит к ускоренному возрастанию профильного сопротивления выступа (и в целом гидросопротивления трубы) по сравнению с увеличением теплообмена и к соответствующему снижению (или исчезновению) выигрыша или использования интенсификации теплообмена.
Аналогичное явление возникает, когда при неизменном числе Рейнольдса увеличивается высота выступа. Выполнение более обтекаемойформы поперечного сечения выступа уменьшает сопротивление формы, снижает гидросопротивление канала и повышает эффект применения интенсификации. Однако профилирование выступов осложняет технологию производства интенсифицированных труб. Форма выступа на теплообмен практически не влияет. Экспериментально показано, что для коэффициента сопротивления трубы с выступами может существовать автомодельность относительно числа Рейнольдса (особенно для острых, частых и высоких выступов), возможно нарастание или падение коэффициента сопротивления при увеличении числа Re.
Следует отметить определённые противоречия в опытных данных по количественному влиянию формы выступа на гидросопротивление. В работеуказано, что коэффициент сопротивления трубы с выступами при последовательном переходе от треугольного выступа через полукруглый и прямоугольный – к каплеобразному снижается на 24%. Однако при незначительном изменении технологии накатки выступа (при неизменных высоте и шаге выступов и малых изменениях их формы) ξ изменился на 25%.
Авторы работы приходят к выводу, что различные экспериментальные результаты более или менее удовлетворительно обобщаются по теплообмену, по гидросопротивлению возможно выяснение только общих закономерностей, а количественное обобщение пока не исключено. В отношении количественного и качественного сопоставления можно дополнить, что потери давления при треугольных выступах в 1,4 раза больше, чем при каплеобразных, а при прямоугольных – в 1,33 раза больше, чем при полукруглых.
Возрастание относительной высоты шероховатости h/D при неизменном относительном шаге t/h сопровождается увеличением теплоотдачи (по сравнению с гладкой трубой) только до некоторого предела, а затем рост теплообмена прекращается, возникает явление «насыщения» теплоотдачи. Это связано с тем, что высокие выступы создают турбулентные возмущения потока вдали от стенки, которые мало влияют на процессы теплопереноса в пристенной зоне. Кроме того, при частых выступах между высокими выступами возникают малоинтенсивные застойные циркуляционные течения, не содействующие теплообмену потока со стенкой.
Предельное увеличение теплоотдачи в трубе с выступами (в 3,8-4,3 раза по сравнению с гладкой трубой) получено в опытах при d/D = 0,6 и t/h = 10 (d – внутренний диаметр горла выступа).
Гидросопротивление трубы непрерывно увеличивается при возрастании высоты выступа и постоянном шаге выступов. При неизменной высоте выступа и увеличении шага падение давления в трубе уменьшается.
В области малых высот выступов темпы нарастания коэффициентов теплоотдачи гидросопротивления примерно одинаковы. Это обеспечивает возможность сокращения размеров теплообменных аппаратов, т.к. при одинаковомгидросопротивлениитеплоотдача в трубе с выступами повышается на 25-40% по сравнению с гладкой трубой. Следовательно, низкие выступы весьма перспективны для интенсификации теплообмена. Оптимальная высота выступов в трубе находится в диапазоне 0,1 > 2h/D > 0,02, а оптимальный шаг - в пределах 25 > t/h > 10, при возрастании h/D оптимум перемещается в район больших t/h, что проверено 4 5 экспериментально в области Re = 10 -10 . Для кольцевых каналов рекомендуется h/d3 = 0,01-0,03, для плоских - h/d3 = 0,05-0,025.
Рекомендуемый диапазон размеров выступов обеспечивает почти максимально возможный эффект интенсификации. Вероятно, некоторое улучшение теплогидравлических показателей выступов можно получить за счет увеличения ширины выступа по потоку l.
Опыты В.К. Мигая с широкими выступами l/h = 2-12 в трубе показали, что при l/h = 8-10 гидросопротивление трубы наименьшее: ε/ε0 = min, а соотношение теплоотдачи и гидросопротивления – наибольшее: Nu/ε = max, но графически экстремальные показатели в области l/h = 4-12 слабо выражены и соответствуют пологому графику. Кроме того, опыты выполнены в ограниченном интервале размеров выступов и режимных параметров потока (d/D = 0,94-0,96; t/h 934=-12; Re = 3·10 -3·10 ), и поэтому результаты их не являются всеобъемлюще справедливыми.
Интенсификация теплообмена в трубах посредством накатки низких поперечных кольцевых выступов обладает следующими преимуществами:
а) канавки, образующиеся на наружной поверхности трубы при накатке выступов в трубе, интенсифицируют теплообмен в межтрубном потоке теплоносителя;
б) технология накатки проста и легко механизируется;
в) существующая технология сборки кожухотрубчатых теплообменников целиком применима для накатанных труб;
г) интенсификация теплообмена накаткой выступов (и канавок) применима в тесных пучках труб, где невозможно использование оребрения снаружи труб;
д) дискретная шероховатость поверхности особенно эффективна для интенсификации теплообмена при больших тепловых нагрузках, когда использование оребрения неэффективно;
е) этот способ интенсификации – относительно дешевый (стоимость накатки составляет лишь несколько процентов от стоимости гладкой трубы);
ж) способ не требует дополнительных затрат металла, например, по сравнению с интенсификацией ленточнымизакручивателямипотока в гладкой трубе, которые увеличивают массу трубного пучка примерно на 15%.
С точки зрения практического использования низких выступов для интенсификации теплообмена очень важно, что в условиях эксплуатации различные отложения на стенках труб не снижают уровень теплообмена с течением времени, так как отложения повторяют первоначальный профиль канала. Часто загрязненные интенсифицированные трубы работают лучше грязных гладких.
Рассматриваемый способ интенсификации теплообмена в трубах может обеспечить достижение существенного экономического эффекта при использовании его в широкой области теплообменного оборудования: сетевых подогревателях, конденсаторах паровых турбин, регенеративных подогревателях, воздухоподогревателях (обращённых) с течением воздуха в трубах; в химической промышленности и др.
Интенсификация теплообмена в кольцевом канале с выступами на внутренней трубе перспективна, например, для газоохлаждаемых ядерных реакторов. Повышение интенсивности теплообмена посредствомпоперечныхвыступовнастенкахпрямоугольногоканалаприменяется в охлаждающих воздушных каналах турбинных лопаток современных высокотемпературных ПУ.
По результатам опытного исследования и некоторым другим работам можно полагать, что коэффициент теплоотдачи в зависимости от угла атаки выступа к потоку j изменяется по кривой с максимумом в области j = 60 в диапазоне j = 45-90 .
Установлено, что использование труб с накатанными поперечными выступами в противоточном воздухоподогревателе ГТУ позволяет уменьшить поверхность теплообмена на 40-50%. Трубы с кольцевой накаткой в условиях конденсатора ГТУ загрязняются потоком воды меньше, чем гладкие, за счет более интенсивного тепломассообмена в пристенной зоне. Фундаментальное изучение труб с поперечными выступами при турбулентном и переходном течении теплоносителей выполнено авторами. Для указанных режимов опытным путем найдены предпочтительные параметры выступов d/D, t/D в зависимости от числа Рейнольдса потока. Экспериментально и теоретически подтверждено значительное снижение солеотложений из потока воды снаружи и внутри труб с накатанными выступами. В опытах получена существенная интенсификация теплообмена при конденсации пара на наружной поверхности таких труб, а также интенсификация теплоотдачи снаружи труб при поперечном обтекании трубного пучка однофазным потоком.
Исследовано в лабораторных условиях и находит промышленное применение достаточно большое количество способов интенсификации, основанных на использовании различных видов шероховатости. Получены расчетные формулы теплообмена и гидросопротивления для труб со сфероидальными элементами шероховатости. Длительное успешное промышленное испытание прошла керамическая интенсифицированная набивка РВП с полусферическими точечными выступами. Теплообмен и его зависимость от формы и расположения шероховатости для некоторых ее типов исследованы в работах А.К. Анисина, Ю.М. Метелкина, В.И. Евенко, В.П. Солнцева.
Шероховатость в поверхности рассматриваемого вида значительно интенсифицирует теплообмен не только при вынужденном течении однофазной среды, но и в условиях свободной конвекции (на 5-200%), при кипении жидкости и большом объеме, при конденсации в объеме пара, при конденсации и вынужденном движении пара в трубах, в каналах котлов, а также в сочетании с другими способами интенсификации.
также обсуждаются результаты опытного исследования теплообмена, гидросопротивления и соотношения между ними для потока воздуха в трубах диаметром D = 15 мм (труба №1) и D = 18 мм (труба №2), длиной l = 573 мм с поперечными кольцевыми выступами, изготовленными из проволоки диаметром h = 1,8 мм. Параметры выступов: шаг t = 45 мм, t/h = 25, 2h/D = 0,24 2 3 и 0,2. Область режимов Re = 3·10 -6·10 . Обобщение опытных результатов по теплоотдаче (линия а) и сопоставление их с известными экспериментальными данными показано на рис. 27.
Рис. 27. Зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса для трубы с поперечными кольцевыми выступами.
Линия а аппроксимируется уравнением подобия:
Nu0,8 = cRe, (11)
где интервалу Re = 1500-6000 соответствует с = 0,048 (точность аппроксимации опытных точек ±12%), а в области Re = 300-1500 c = 0,065 (отклонение опытных данных от линии а не больше ±15%).
В настоящих опытах интенсивность теплоотдачи иногда снижалась до 0,45 и возрастала до 11,4 раза относительно уровня, соответствующего линии а при Re< 4350 Результаты опытов (рис. 27, линия а) согласуются с экспериментами (рис.27, линия б) с точностью 10%. Эксперименты выполнены на воздухе в трубе D = 14 мм, l = 570 мм с накатанными выступами h = 1,5 мм, t/h = 20, 2h/D = 0,217. Превышение данных опытов над результатами экспериментов объясняется большей высотой выступов в случае рис.27, линия а. Результаты опытов по теплоотдаче удовлетворительно соответствуют экспериментальной формуле Грасса для средней теплоотдачи:
Nu = Nu0[1+5,2(d/D-1)0,4]. (12)
Формула получена при неизменном числе Re = 2500 (величина числа Nu0 в гладкой трубе может определяться по формуле Хаузена).
Опыты Грасса, проведенные на воздухе (рис. 27, точка в) в условиях 2h/D = 0,65; 0,2; t/D = 1,2; 4; 8 для полукруглых и прямоугольных выступов, и их согласование с настоящими опытами (с точностью 18%) подтверждают независимость теплоотдачи от формы поперечного сечения выступа в переходном режиме, что характерно и для турбулентного потока.
Полученные опытные данные (линия а) удовлетворительно согласуются с экспериментами Уттавара (линия е) для труб со спиральными проволочными вставками в потоке технического масла.
Линия е соответствует расчету для воздуха при угле атаки выступа оотносительного потока, равном φ = 61 , и параметрах выступов, свойственных настоящим опытам. Отклонение линии е от линии а о обусловлено снижением теплоотдачи при углах φ < 90 и влиянием Prна теплоотдачу в трубе с выступами при ламинарном и переходном режимах.
Удовлетворительное соответствие наблюдается между рассматриваемыми результатами опытов (рис.27, линия а) и экспериментальными данными по теплоотдаче масла, обобщенными уравнением подобия, для которого рассчитана теплоотдача воздуха в трубе с выступами (d/D = 0,8; t/D = 1,94) (рис.27, линия и).
Теплоотдача шероховатой трубы в переходном режиме значительно превышает теплоотдачу гладкой трубы по Хаузену(линия х) Nu/Nu0 = 3/44, что соответствует работам Нуннера и Уттарвара. В ламинарной области течения теплоносителя (Re < 2300) интенсивность теплообмена в гладкой трубе (рис. 3.13, линия М-А),которой соответствует уравнение Мак-Адамса, также значительно ниже, чем в шероховатой.
Повышенная теплоотдача труб с выступами в ламинарном и переходном режимах обусловливает перспективность их технического использования в диапазоне этих режимов для теплоносителей Pr = 0,7-675 (при условии выгодного соотношениятеплоотдачи и гидросопротивления).
Основываясь на результатах работ по теплоотдаче трубы с выступами, можно ожидать, что фиксированные величины числа Re и высоты выступов могут приводить к резонансным возмущениям потока на различных обертонах частоты Струхаля срыва вихрей и соответственно при различных гармониках собственных частот потока. При этом увеличение шага в диапазоне t/h = 10-100 будет связано с быстрым падением амплитуды резонансных возмущений потока и соответствующим снижением эффекта дополнительной интенсификации процессов переноса.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 605; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!