Основы теплопередачи Михеев М.А, Михеева И.М. (1013622), страница 57
Текст из файла (страница 57)
увеличения фактической площади поверхности теплообмена) обычно относительно невелика. Экспериментальному исследованию теплоотдачи на поверхностях с искусственной шероховатостью посвящен ряд работ, некоторые результаты которых приводятся ниже. В исследовании, проведенном в МЭИ [291, подробно изучены различные виды шероховатости типа «резьбьш, которая наносилась на внутреннюю поверхность круглой трубы диаметром б) = 16,7 мм и 1Ы = 100. Опыты проводились с водой. На рис. 10-4 приведены опытные данные, относящиеся к резьбе треугольного профиля (рис.
10-3, а). Коэффициент теплоотдачи отнесен к поверхности гладкой трубы (без учета эффекта оребрения). Приведенные данные показывают, что такой вид искусственной шероховатости позволяет значительно увеличить теплоотдачу. В этом исследовании было показано также, что скругленная шероховатость (рис. 10-3, б) значительно менее эффективна; в ряде случаев она вообще не дает увеличения теплоотдачи в сравнении с гладкой поверхностью.
Это указывает на то, что острая'кромка выступов имеет существенное .значение для интенсификации теплоотдачи. 293 Другой вид искусственной шероховатости (рис. 10-3, в, г) подробно исследован в [16, 17, 33, 92, 101, 113 [. При этом кольцевые выступы с различным относительным шагом з//4 создавались как на наружной поверхности трубы при течении потока воды, воздуха и трансформаторного масла в кольцевом канале, так и на внутренней поверхности круглой трубы. Такой вид искусственной шероховатости изучался также в плоском щелевом канале.
Итоги этих исследований были обобщены в Пб, 17[. Лнализ показал, что для этого вида шероховатости параметром, имеющим решающее значение для интенсификации теплоотдачи, является отношение расстояния между выступами з к их высоте /4: з//4. Остальные характеристики, такие как форма выступа (прямоугольная или треугольная), отношение /4Ы, имеют второстепенное значение.
При этом высота выступов /4 должна превышать толщину вязкого подслоя. В [16, 171 показано, что причина интенсификации теплообмена связана со срывом и разрушением вязкого подслоя выступами шероховатости и возникновением вихревых зон. Оказывается, что для параметра з//4 существует оптимальное значение, при котором интенсификация теплоотдачи максимальна. В результате обобщения многочисленных опытных данных автор [16, 17[ получил уравнение для теплоотдачи % =0,021 йе 'д, Рг ' 1(Рг /Рг,)'"е , (10-16) где множитель ем учитывает увеличение теплоотдачи вследствие искусственной шероховатости: е =1,04Ргамехр [0,86/(з//4)], (10-17) ~ ~ ) ~~ ( ~ ) /( 4 ) (4//4)опт, при ~ — )«( — ) /~ — )= Оптимальное значение относительного продольного шага: (з//4),„, = 13 + 1 при любом значении Рг в интервале от 0,7 до 80.
График зависимости е от з//4 для воды показан на рис. 10-5. Приведенное соотношение справедливо при (з//4) )~ б в диапазоне чисел Кеж от 6.10' до 4.104, чисел Рг от 0,7 до 80. В уравнении (10-16) коэффициент теплоотдачи отнесен к полной поверхности стенки; определяющий размер — эквивалентный диаметр канала. При применении шероховатой поверхности наряду с теплообменом возрастает коэффициент гидравлического сопротивления $ .
При этом обычно величина $ не зависит от скорости течения теплоносителя. Вследствие увеличения сопротивления при практическом применении искусственной шероховатости представляет интерес сравнение эффективности этого метода интенсификации тепло- 294 затрата мощности на перекачивание теплоносителя /1/ будет меньше для шероховатой поверхно- 1Б сти: й/ (и1)(й/(и/). (б) Решение этого вопроса может быть получено путем следующих расчетов. /а г 00 Ю!0 г 4 бе/ра г 1 6 й/0 уй уаей брай Рис.
1Олк Теплоотдача в круглой трубе с искусственной шероховатостью в виде треугольной резьбы. 1 — ЫН = 0,0064; 4/а = 1,9; 2 — ь/а = = 0,011; 4/6=2,6; 3 — Лм = 0.036; 4/6=1,6. Рис. 10-5. Интенсификации теплоотдачи длв воды при применении искусственной шероховатости в виде хольцевых выступов на поверхности трубы. Количество теплоты, переданное в гладкой трубе, пропорционально скорости потока в степени 0,8, т.
е. Я = Агп'~л. Для шероховатой трубы имеем согласно уравнению (10-18) Я = Ага ' е . Коэффициент пропорциональности А включает о.а в себя все величины, которые не зависят от скорости (геометрические размеры трубы или канала, физические свойства теплоносителя, температурный напор) . Его численное значение одинаково в обоих случаях.
Учитывая это, находим из условия (а), что относительное увеличение скорости в гладкой трубе должно составлять: и !ла — =е' ю ю (в) Затраты мощности на перекачивание теплоносителя можно записать в следующем виде: 295 обмена с методом повышения теплоотдачи в гладкой трубе только за счет увеличения скорости теплоносителя. Применение искусственной шероховатости оправдано, если при одинаковом количестве переданной теплоты шероховатой поверхностью при скорости ги и гладкой поверхностью при более высокой скорости и/', т. е. при условии Я (и/)=(/(и/'), (а) для шероховатой поверхности й/ =В8. ', для гладкой поверхности /У = Вэ (в') в', причем в области действия закона Блазиуса $ (ш') = $ (ш) (в/ш')~' ~.
Коэффициент пропорциональности В в этих формулах также численно одинаков. Учитывая это, основное неравенство (б) нетрудно преобразовать с привлечением соотношения (в) к окончательному виду: (10-18) где индекс ю указывает, что сравнение коэффициентов сопротивления проводится при скорости потока ш в шероховатой трубе. Неравенство (10-18) определяет условие целесообразности применения шероховатой поверхности с точки зрения выигрыша в затратах мощности на перекачку.
При обратном знаке неравенства в уравнении (10-18) использование искусственной шероховатости нецелесообразно. Для рассматриваемой двухразмерной искусственной шероховатости типов в и г на рис. 10-3 оптимальное значение повышения теплоотдачи: (з )„, ) 2,5, следовательно, (з„)';~,' ) 32. В опытах [171 при этом повышение коэффициента сопротивления (е /е)„ ж 4 †: 15. Отсюда видно, что по затратам мощности такой метод интенсификации теплообмена, безусловно, выгоден. Увеличение скорости теплоносителя в гладкой трубе, необходимое для передачи того же количества теплоты, здесь составляет согласно соотношению (в) ш'/ш ж 3,2.
При этом методе сравнения не учитывается то обстоятельство, что в случае увеличения скорости теплоносителя возрастает гидравлическое сопротивление во всей системе циркуляции теплоносителя, в то время как создание искусственной шероховатости обусловливает рост гидравлического сопротивления лишь в зоне поверхности теплообмена.
~е-4. твплоотддчд эдсппдвлвнных мвтдппов В тех случаях, когда необходимо обеспечить интенсивный отвод теплоты от поверхности нагрева или когда при низком давлении требуется иметь высокую температуру рабочего тела, в качестве теплоносителя применяются расплавленные металлы. По своим физическим свойствам большинство расплавленных металлов отличаются от обычных теплоносителей — воды, масел и др. Главной особенностью металлических теплоносителей является высокая теплопроводность и соответственно низкие значения числа Прандтля: Рг = 0,005 —:0,05. В последнее время как 296 в нашей стране, так и за рубежом, было проведено большое число измерений по теплоотдаче жидких металлов в различных условиях.
В опытах применялись такие теплоносители, как натрий, калий, литий, цезий, ртуть, висмут, сплавы висмута со свинцом и др, Первые широкие и систематические исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления были выполнены в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского [72, 89[. Исследования показали, что закономерности для теплоотдачи расплавленных металлов характеризуются рядом особенностей.
При свободном движении таких теплоносителей для расчета теплоотдачи получена следующая зависимость [62, 91[: Ыц = с Ог» Ргэа (10-19) при Ог„,=-10' —:10' с=0,52, п=0,25; прн Ог ==-1О' —:10" с=0,106, п=0,33. В качестве определяющей здесь принята средняя температура пограничного слоя / = 0,5 (/, + / ). Определяющий размер: диаметр — для горизонтальных труб, высота — для вертикальных пластин.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
