Сферические углубления на поверхности теплообмена
Особенность задачи интенсификации конвективного теплообмена вТА заключается в том, что она приобретает реальное содержание лишь в совокупности с задачей о затрате мощности на прокачку теплоносителей. Именно опережающий рост гидросопротивления по сравнению с ростом теплоотдачи существенно уменьшает экономический эффект от применения в ТА большинства известных в настоящее время интенсификаторов.
В последнее время появилось достаточно много работ, посвященных исследованиям теплообмена и трения на поверхностях со сферическими углублениями, свидетельствующих о том, что такие углубления существенно интенсифицируют теплоотдачу при умеренном росте гидравлического сопротивления.
При обтекании потоком сплошной среды таких углублений возникают крупномасштабные динамические вихревые структуры, наблюдаемые как в ламинарном, так и в турбулентном дозвуковом и околозвуковом режимах течения. Отмечается сходство этих вихревых образований с природными смерчами, обладающими свойством всасывания среды в ствол смерча.
В ряде работ экспериментально установлено, что для сферических углублений рост теплоотдачи не сопровождается типичным квадратичным увеличением гидравлического сопротивления. Причем особенно ярко это проявляется в щелевых каналах. Поверхности со сферическими углублениями позволяют существенно (в 1,5 - 4,5 раза) увеличить теплообмен при умеренном росте гидросопротивления. Сегодня это самый эффективный способ интенсификации с точки зрения соотношения в приростах теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Технология нанесения лунок на плоские поверхности несложная и не оказывает заметного влияния на общую стоимость теплообменного аппарата.
|
|
|
Теплогидравлические характеристики поверхностей, формованных сферическими углублениями, зависят от формы лунок (с острыми кромками или плавными обводами), плотности их расположения на поверхности, продольного и поперечного шага луноки их относительной глубины, относительной высоты канала.
Кроме этих параметров для теплообменных аппаратов на гидравлическое сопротивление и теплообмен заметное влияние оказывает взаимное расположение лунок на соседних поверхностях канала.
Полной ясности о соотношениях Nu/Nuгл и ε/εгл для поверхностей с лунками в настоящее время пока нет. Анализ большинства известных результатов исследований (рис.27), выполненный А.В. Щукиным, показал, что для широкого диапазона влияющих параметров (каналы - кольцевые, коаксиальные и плоские; относительная глубина выемок 0,07-0,5; относительная высота канала 0,1-1,0; плотность расположения лунок 0,16-0,78; размещение лунок - шахматное и коридорное; кромки - острые и скругленные), несмотря на разброс опытных данных по оси ординат, примерно выполняется равенство Nu/Nuгл = ε/ε гл. Лишь в области больших значений ε/εглнаблюдается опережающий рост теплоотдачи по сравнению с увеличением гидравлического сопротивления.
|
|
|
Рис. 28. Относительная теплообменно-гидравлическая эффективность каналов 1 - результаты исследований А.А. Александрова и др.; 2 - В.П. Пучуева и др.; 3 - Ю.Ф. Гортышова и др.; 4 - Г.П. Нагоги и др.; 5 - М.Я. Беленького и др. (плоский канал); 6 - В.Н. Афанасьева и др.; 7, 8 - М.Я. Беленького и др. (пучок труб, расположенных в шахматном и коридорном порядке соответственно).
Рядом экспериментов установлено, что при обтекании потоком лунки в ней образуется смерчеобразный вихрь. Визуализация течения в щелевых каналах с различным сочетанием сферических интенсификаторов на верхней и нижней стенках канала показала, что на распространение вихревой структуры за лункой существенное влияние оказывает число Re набегающего потока и геометрия канала (одностороннее или двухстороннее расположение лунок, их взаимное смещение, относительная высота канала). Приведенная на рис. 28 зависимость увеличения гидравлического сопротивления от числа Re в каналах с лунками по сравнению с гладким каналом показывает, что для каналов с полусферическими лунками с H/d = 0,l в диапазоне 104 < 4 Re < 2,9·10 наблюдается плавное увеличение ε/εгл при 4 увеличении числа Re. При Re* = 2,9·10 отношение ε/εгл достигает максимального значения и в дальнейшем остается неизменным. Характерно, что величина Re* практически не изменяется дляканалов с односторонним расположением лунок при равных H/d иh/d, слабо зависит от формы кромок лунок и является функцией лишь относительной глубины лунок и относительной высоты канала. При уменьшении h/d и увеличении H/d граница Re* смещается в сторону больших чисел Re.
|
|
|
Рис. 29. Относительное гидравлическое сопротивление каналов.□ ■ - одностороннее расположение лунок с гладкими и острыми кромками; ○ ● - двухстороннее расположение лунок с гладкими и острыми кромками; ◊ - одностороннее расположение лунок с гладкими кромками; ▲ - двухстороннее расположение лунок с острыми кромками (h/d = 0,5; H/d = 0,1).
Теплообмен для исследованных каналов независимо от относительной глубины лунок h/d и относительной высоты канала H/d 0,8 подчиняется зависимости Nu ~ Re. Отношение Nu/Nu0возрастает с увеличением Re.
|
|
|
Для исследованных каналов при увеличении относительной высоты канала наблюдается уменьшение теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Причем показатель степени влияния H/d для стесненных каналов (H/d< 0,4) с односторонним и двухсторонним расположением лунок (как с острыми, так и с гладкими кромками) является функцией от h/d. Характер влияния H/d на сопротивление и теплообмен стесненных каналов и зависимость показателя степени при H/d от h/d объясняется тем, что генерируемые в верхних и нижних лунках вихревые структуры при уменьшении относительной высоты канала определенным образом взаимодействуют, приводя к изменению турбулентной структуры потока.
Для всех исследованных каналов при увеличении относительной глубины лунок наблюдается увеличение теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Это хорошо согласуется с данными, где для каналов с односторонним расположением лунок при изменении h/d от 0,1 до 0,3 получено трехкратное увеличение отношения Nu/Nu.
Анализ опытных данных по гидравлическому сопротивлению показал, что вне зависимости от формы кромок для каналов с односторонним расположением лунок показатель степени влияния при h/d равен 0,23. Соответствующий показатель в каналах с двухсторонними лунками также не зависит от формы кромок лунок и равен 0,38.
Аналогичный показатель влияния h/d на теплоотдачу для каналов с односторонними лунками равен 0,42, а для каналов с двухсторонними лунками этот показатель изменяется от 0,45 для лунок с гладкими кромками до 0,49 для лунок с острыми кромками.
Рис. 30. Безразмерный комплекс по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению.
Рис. 31. Безразмерный комплекс по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению.
Таким образом, относительная глубина лунки h/d, как и относительная высота канала H/d, оказывает более заметное влияние на теплообмен и трение в каналах с двухсторонним расположением лунок по сравнению с каналами с односторонним расположением лунок.
Проведенные эксперименты показали существенное влияние взаимного расположения лунок на верхней и нижней стенках стесненного канала на его теплоотдачу и гидравлическое сопротивление. В качестве характеристики этого влияния вводится величина δ/d - относительное смещение лунок (δ – абсолютное смещение лунок). Существенное изменение теплоотдачи при изменении взаимного расположения лунок свидетельствует о том, что в щелевых каналах вихревые структуры, образующиеся в верхних и нижних лунках, определенным образом взаимодействуют между собой и их влияние нельзя рассматривать как простую суперпозицию.
Список литературы
1. Лаптев А. Г., Николаев Н. А., Башаров М. М. МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВУчебно-справочное пособие
2. Ибрагимов У. Х., Шамуратова С. М., Рахмонов Б. А. Интенсификация теплообмена в каналах // Молодой ученый. — 2016. — №8. — С. 225-229.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 547; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!