Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 85
Текст из файла (страница 85)
При обтекании углублений также возникают вихревые зоны и повышается уровень турбулент. ности. Поверхностные турбулизаторы интенсифицируют теплоотдачу только при Йе>хсе„р, т. е. после возникновения в потоке турбулентности. По данным, приведенным в (61 для труб, на внутренней поверхности которых выдавлены плавноочерченные поперечные выступы, наиболее благоприятные условия для интенсифика ции теплоотдачи возникают при це=2600...4000. Опытное после" дование таких труб показало, что благодаря таким выступам ко. 438 зффициент теплоотдачи можно увеличить более чем в 2 раза, причем оптимальная высота выступов составляет (2...10) $ от внутреннего диаметра трубы с(, оптимальный шаг — (0,25...1)А Лопаточный завихритель, установленный перед входом в трубу, интенсифицирует теплоотдачу за счет повышения уровня турбулентности и скорости жидкости относительно поверхности нагрева, а также за счет возникновения макровихрей в пристенной зоне.
Непрерывная закрутка потока с помощью закрученной ленты интенсифицирует теплоотдачу за счет возникновения макро- вихрей в поперечном сечении потока [21). Уровень интенсификации теплоотдачи при использовании лопаточного завихрителя определяется углом закрутки. потока и при турбулентном течении практически не зависит от числа Ке.
При непрерывной закрутке интенсивность теплоотдачи в основном определяется шагом ленты и числом Ке. При ламинарном течении уровень интенсификации с ростом числа Ке увеличивается, а при турбулентном — несколько уменьшается. При использовании лопаточных завихрителей в условиях турбулентного течения в коротких трубах (1/с(ж12) наблюдалось увеличение коэффициента теплоотдачи до 3 раз, а в длинных трубах — до 1,5 раз.
При использовании закрученной ленты при турбулентном течении наблюдалось увеличение коэффициента теплоотдачи до 3 раз. Уровень интенсификации теплоотдачи газообразных теплоносителей можно существенно увеличить за счет д о б а в к и в г а з твердых частиц (например, частиц графита). Для таких дисперсных потоков в прямых трубах наблюдалось увеличение коэффициента теплоотдачи в 6...8 раз при массовом расходе частиц, в 30...40 раз превышающем расход газа.
Тепловое и гидродинамическое воздействие частиц на пристенную часть потока с целью интенсификации теплоотдачи можно существенно увеличить с помощью инерционных массовых сил. Например, при закрутке потока лопаточным завихрителем в короткой трубе (1/с(=4) восьмикратное увеличение коэффициента теплоотдачи можно получить при массовом расходе частиц, которое превышает массовый расход газа в 1,2 раза.
й 15.7. ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ Термичесхое сопротивление стенки, разделяющей тепланоситеди в процессе теплоотдачи, обычна невелико. Если по конструктивным соображениям расстояние между теплоноситенями значительно, то теплота от одного теплоносителя к другому передается по тепаозоду. Использование в качестве тепловодов металлических тел приводит к тяжелым конструкциям, в которых передача теплоты через твердое тело сопровождается существенным изменеяием его температуры по тепловому тракту. В атом случае передачу теплоты от одной среды к другой удобно осуществить с помощью тепловых труб, в которых молекулярные процессы переноса теплоты заменены коивективнымн, благодаря чему термическое сопротивление зоны, расположенной между поверхностями сопрн- 437 иосиовеиия двух обменивающихся теплотой жидкостей, стаиовится иебольшим Поэтому теплота передается при небольшом иэмеиеиии температуры вдоль трубы.
Схема тепловой трубы показана на рис. 15.9. Герметичный сосуд 1 (корпус тепловой трубы), из которого тщательно откачан воздух, частично заполнен жидкостью. К испаритедьной зоне (1„ на рис. 15.9) подводится теплота, расходуемая на испарение теплоносителя, а пар яерез транспортную зону (1,) поступает в конденса!4ионную зону (1„); освободившаяся при конденсации теплота отводится от конденсатора, а конденсат по капидлярной структуре 2, находящейся на внутренней поверхности трубы, возвращается в испаритель.
Благодаря конвективно- 0 0 му способу переноса тепло- а„ / ты тепловая труба обладает !!ь!! небольшим термическим со- противлением, которое в ос— †..:аа — лн" ° — =., †- ионном определяется термическими сопротивлениями капиллярной структуры и слоя жидкости при передаче теплоты от наружной поверхности испарительной зоны к свободной поверхности жидкости и от пара — к наружной поверхности конденсационной зоны.
Поэтому э ф ф е к т и в н а я теплопроводность тепловой трубы Х,е=уЦ?дТ (д — плотность теплового потока в поперечном сечении трубы, ЬТ вЂ” пере. пад температур между зонами испарения и конденсации; 1 — расстояние между средними сечениями зон испарения и конденсации) может в десятки тысяч раз превышать теплопроводность металлов. Тепловоды, выполненные на основе тепловых труб, имеют в сотни раз меньшую массу, чем металлические. Тепловые трубы обладают и другими ценными качествами: они позволяют трансформировать (концентрировать или рассеивать) тепловые потоки, создавать изотермические поверхности на значительных площадях, могут использоваться в широком диапазоне температур (от криогенных до 2500 К), в гравитационном поле и в невесомости, они не содержат движущихся деталей и имеют большой ресурс работы.
Различают тепловые трубы высокотемпературные (Т>750 К) среднетемпературные (Т ?50...550 К), низкотемпературные (Т= =550...200 К) и криогенные (Т(200 К). Во время работы тепловой трубы пар непрерывно перемеща ется из зоны испарения в зону конденсации, а конденсат — в обратном направлении. На рис. 15.10 схематично показано распределение давления пара и жидкости по длине тепловой трубы (зона испарения еле 438 ва). Благодаря тому, что в зоне конденсации пар превращается в жидкость, создается непрерывный поток пара в эту зону из зоны испарения. Гидравлическое сопротивление парового канала приводит к снижению давпения пара в зоне конденсации по сравнению с давлением в зоне испарения. Перенос жидкости из зоны конденсации в зону испарения в бесфитильных трубах можно осуществить за счет гравитационных сил, если трубу расположить наклонно к горизонту или вертикально, а зону испарения разместить ниже зоны конденсации.
Для перемещения жидкости могут быть использованы н центробежные силы. В горизонтальной трубе (см. рис. 15.9) возврат конденсата в зону испарения осуществляется с помощью капиллярной структуры (сетки, пористой вставки, канавок) за счет сил поверхностного натяжения и капиллярного эффекта. В ячейках капиллярной структуры смачивающая жидкость образует вогнутый (в сторону жидкости) мениск, благодаря чему давление жидкости меньше давления пара на величину Ьр,= — = — соз 6, (15.44) Лм где а — поверхностное натяжение; Р— радиус мениска; Й вЂ” радиус поры; 0 — краевой угол.
Величина Лр, в области испарения существенно больше, чем в области конденсации, так как в конденсационной зоне поверхность капнллярной структуры обычно покрыта слоем жидкости, что увеличивает )г„ или вообще препятствует появлению углублений. Благодаря условию Лр,„«Лр, создается перепад давления, обеспечивающий перетекание жидкости из зоны конденсации в зону испарения. Кривизна поверхности мениска влияет также на величину давления пара над жидкостью, однако в тепловых трубах этим влиянием обычно пренебрегают. Тепловой поток через тепловую трубу определяется расходом пара (или жидкости) О и скрытой теплотой парообразования г: О=аг.
(15.45) Наибольший расход жидкости определяется перепадом давления, который создается благодаря капиллярному эффекту в процессе работы трубы Лр,э — Лр., (рис. 15.10). Этот перепад давления должен компенсировать потери напора на перемещение жидкости в капиллярной зоне (Ьр ), пара (Лр,), скачки давления при переходе одной фазы в другую (Лрэ,,) и перепад давления, обусловленный массовыми силами (Ар ). Массовые силы могут 439 противодействовать или помогать перемещению жидкости.
Таким образом, для обеспечения наибольшего расхода жидкости необ- ходимо, чтобы соблюдалось условие йР,= г 32чь и — Р,~г (15.47) "ж КРж (15.48) где т — кинематическая вязкость; Р и Ä— площади проходного сечения для жидкости и пара; И,— диаметр парового канала; 1 — расстояние между испарительной и конденсационной зонами (см. рис.
15.9); К вЂ” проницаемость пористой структуры. Проницаемость К учитывает форму и размеры пор. Например, для сетчатых структур — К=оэеэД122(1 — е) э), где д — диаметр проволоки; е — 'порнстость структуры (отношение объема пор к объему пористого тела). Величина Лрэ'.
обычно невелика и ею можно пренебречь. Величина Ьр„определяется положением трубы в пространстве и ускорением свободного падения или инерционным ускорением. Для горизонтальной неподвижной трубы ЛР„=О. После подстановки (15.44), (15.47) и (15.48) в (15.46) при ЛР.,=О и Ьрэ,=О для горизонтальной тепловой трубы получа. ется (15.49) С учетом (15.45) максимальный тепловой поток определяетсЯ формулой (15.5О) Из этой формулы видно, что на максимальную теплопроизводительность тепловой трубы влияет вид капиллярной структуры ()т„„, К), свойства рабочей жидкости и пара (г, и, К„, т„тэ) размеры тепловой трубы и ее фитильной структуры (1, Г„, Ек) увеличение перепада температур пара между испарителем и 440 ьР— дР„)~йР +ЬР„+ьРэ., + ьР„.
(15.46) Величина Я„, необходимая для получения Лр„определяется обычно из экспериментальных данных по капиллярному эффекту для конкретных фитиля и жидкости. Величиной ЬР,„обычно пренебрегают по сравнению с Ьр Предполагая течение жидкости и пара в трубе ламинарным, а трубу, работающую в испарительном режиме,— круглой, запишем связь перепадов ЛР„и ЛР с расходом 6 на основе формул Пуазейля и Дарси: конденсатором (ДТ„=Т„„,— Т„„) при прочих равных условиях ведет к увеличению теплопроизводительности тепловой трубы. Величина ДТ„определяется величиной Лр„, а связь между ними зависит от параметров состояния пара.
Эта связь определяется уравнением Клапейрона — Клаузиуса, которое в конечных разностях имеет вид тп дт = ДТ„+ ДТ„+ дт„ (15.52) где ДТ„=҄— Т,„; ЬТ„=Т.„— Т„; зти перепады температур зависят от термических сопротивлений стенок трубы и капиллярной структуры, заполненной жидкостью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
