Глава IX. Особенности конвективного теплообмена в каналах (1013634), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Метод интенсификации определяется характером течения (однофазное илн двухфазное, ламинарное нли турбулентное и др.). Рассмотрим методы интенсификации теплообмена только при турбулентном течении однофазного теплоносителя в прямых каналах. Для таких течений часто возникает идея интенсификации тепло- обмена путем искусственной турбулизации потока. Этого можно достигнуть закруткой потока, созданием в нем вихрей, отрывных зон и др. Но все эти способы связаны с увеличением гидравлических потерь в канале, поэтому важно иметь критерии для оценки целесообразности методов интенсификации теплоотдачи. Удобно сравнивать каналы, имеющие устройства для искусственной турбулизации потока, с такими же гладкими каналами без этих устройств.
Тепловой и гидравлический расчеты теплообменных устройств (см. гл. ХП1) для выбранных типов и эквивалентных диаметров гладких каналов однозначно определят их размеры, числа Рейнольдса в них и температуры стенок. Интенсификация теплообмена в этих каналах увеличит по сравнению с гладкими как число Нуссельта Хп/Хп,, так и коэффициент гидравлического сопротивления ~Д,. Важно найти такие их значения, при которых поверхность теплообмена (габаритные размеры и масса) уменьшится, что при заданных габаритных размерах обеспечит и уменьшение температуры стенки.
Лля определенности рассмотрим трубчатый ТА, в котором один теплоноситель течет в трубах, а другой — между ними в паРаллельном направлении. Пусть теплоноситель в трубах имеет 229 меньший коэффициент теплоотдачи прн допустимом значении гидравлических потерь.
В этом примере в первую очередь следует интенсифицировать теплообмен в трубах. Запишем уравнения для теплового потока, потерь давления и расхода теплоносителя: а=Р~! Т.— т,)=мат; /хр = Ав Ке' 1/й; б = В Ве Ы, (9. 16) где А и В для данного теплоносителя и диаметра трубы — раз- мерные константы; и — число трубок в пучке; 1 — длина трубок. Тогда при заданных значениях 9, Ь/>, О можно получить: (Мп/Хпо)> ) Я/зо)~ (йе/Вез) ' (Т вЂ” Т>Д(Т вЂ” Т>) (9.16) Если интенсификация в каналах сопровождается выполнением условия (9.16), она обеспечивает уменьшение габаритных разме- ров теплообменного аппарата.
— ь Из уравнения (9.16) получаем Т вЂ” Т> = — ЬТ. Без учета термического сопротивления стенки коэффициент теплопередачи й = аа,/(а + а,), где а, — коэффициент теплоотдачи в межар трубном пространстве. Тогда Т вЂ” Т, = — ' /зТ и нераа+а, венство (9.16) будет иметь вид (~ ) )( — ) ( — ) ( ~") ( '~. (9.17) Таким образом, интенсификация теплоотдачи внутри труб наи- более эффективна, если она сопровождается такой же или боль- шей интенсификацией теплоотдачн в межтрубном пространстве или если а, )> а. Помимо удовлетворения условию (9.17) метод интенсификации теплоотдачи должен быть технологичным как при изготовлении поверхности теплообмена, так и при сборке, и не должен снижать надежность и эксплуатационные качества ТА.
Удовлетворить всем этим требованиям не так просто, Поэтому из большого числа описанных в литературе методов интенсифи- кации на практике используются лишь немногие. Остальные либо не технологичны, либо не удовлетворяют неравенству (9.17). Найдем, каким должен быть метод интенсификации теплооб- мена, чтобы наилучшим образом удовлетворять неравенству (9.17). Из уравнения для плотности теплового потока в направлед7 дТ нии Радиуса трубы ~1 = (Х + 'Хт) д = ~гр (~ + ач) рнс. 9.2 нетрудно прийти к выводу, что ббльшая часть располага- емого температурного напора срабатывается в тонком пристенном слое.
В вем д близок к д„, а ач мало. Этот слой тем меньше, чем больше число Праидтля. В ядре потока, где д мало, а е, велико, 230 срабатывается не более 20 — 30% располагаемого температурного напора у газов и не более 5;б у жидкостей с Рг ) 1. Значит искусственная турбулизация должна увеличивать интенсивность турбулентных пульсаций и еч только в тонком слое около стенки. Нет смысла затрачивать энергию на увеличение а, в ядре потока. Дополнительная турбулизация всего потока значительно увеличит $ и очень мало увеличит число Хп.
Покажем, каким образом можно увеличить значение ач около стенки, практически не изменяя его в ядре потока. Анализ показывает, что этого можно добиться созданием небольших отрывных зон 1вихрей), расположенных около стенки на определенных расстояниях по длине канала. Г1ри образовании вихря около стенки на его верхней границе градиент скорости имеет максимум, а турбулентное касательное напряжение рйи,' достаточно большое значение. Поэтому порождение турбулентных — ди„ пульсаций ри,'и,' —" на верхней границе вихря происходит дг весьма интенсивно. Возникшие продольные пульсации скорости, распадаясь, передают свою энергию более мелким пульсациям. Причем энергия проходит сложный путь через пульсации давления к поперечным пульсациям и т.
д., пока не произойдет ее диссипация. За это время пульсации скорости переносятся основным потоком вдоль линий тока и диффундируют в стороны от них. Если вихрь и его граница расположены близко к стенке, то возникшие на ней пульсации скорости увеличат е, вблизи стенки и тем самым интенсифицируют теплоотдачу. При слишком частом расположении таких вихрей энергия возникших на них пульсаций скорости не успевает затухать на пути до следующего вихря и, в основном, диффундирует в ядро потока. Так происходит з шероховатых каналах, в которых з, увеличивается по всему сечению канала, Это нерациональный метод интенсификации теплоотдачи, так как дополнительная турбулизация ядра потока почти не увеличивает теплоотдачу, ибо в ядре потока з„и так достаточно велико, а д — мало, но ведет к большим гидравлйческим потерям.
Целесообразно вихри около стенки располагать на таком расстоянии друг от друга (порядка 10 высот турбулизатора и больше), чтобы кинетическая энергия возникших на вихрях пульсаций частично успевала диссипировать на пути до следующего вихря. Тогда ее диффузия в ядро потока будет несущественна. Большие вихри также нерациональны. Они ведут к большим гидравлическим потерям, а возникшие на их верхней границе пульсации переносятся потоком далеко от стенки и турбулизируют, в основном, ядро потока. Вихри можно образовать, разместив на стенке поперек потока ' небольшие выступы или канавки. В случае выступов некоторую Роль в интенсификации теплоотдачи будет играть подвод тепло- 234.
Яи/Яи0 2,2 50 дб 87 йт 7,0 г 7 йг717 Рнс. 9.3. Влияние числа Ке на эффективность интенсификации тевлообменас 1 — йа йа* 1траииоа слабой вависимости нолти„от йа); 2 — 37О = 0,933; ОР 0.5; 3 — бтО 0.9бб: ав 0,5; 4 — отР = 0.943: !3О = 0,5; б — бтО = 0,9!2; ОР ьб; б б7О 0,92, тйб 0,5; 7 — 47Р 0,875, 17Р = б,б носителя из ядра потока к стенке в зоне присоединения потока.
В качестве примера метода интенсификации теплоотдачи, разработанного с учетом сказанного выше, можно привести метод, предназначенный для интенсификации теплообмена в трубах и трубных пучках при их продольном омыванин. Трубка по специальной технологии накатывается роликами. На ее внешней поверхности образуются периодически расположенные поперечные канавки, а на внутренней — выступы (диафрагмы) с плавной конфигурацией (рис. 9.3). Эта трубка при оптимальных типах накатки сохраняет прочность, обеспечивает интенсификацию теплоотдачи с двух сторон и не изменяет технологии сборки; стоимость ее накатки низкая.
Для определения соотношений Мп/Ыпо и $/$0 внутри таких накатанных труб были проведены исследования на газах, воде и водно-глицериновых смесях и других теплоносителях при различных сочетаниях б///7 и ~/27. На рис. 9.3 представлена зависимость Ып/Хцб от числа Ке для различных размеров диафрагм.
При ламинарном течении между выступами диафрагм создаются застойные зоны. Они служат дополнительным термическим сопротивлением и ухудптают теплоотдачу. Но с ростом х/б( этот аффект уменьшается, благодаря возрастающему влиянию свободной конвекции. При увеличении числа Рейнольдса за диафрагмами возникают вихри, что приводит к росту уровня возмущений в потоке и переходу к турбулентному течению при меньших, чем в гладкой трубе, критических числах Рейнольдса. Заметное уменьшение значения Ке„р наблюдается при бай) ( 0,94. Например, при 5(/О = = 0,875Кеир 1580 вместо Ке„р — — 2300 для гладкой трубы. Переход к турбулентному течению, как и в гладких трубах, сопровождается возникновением турбулентных пробок.
Возникнув в начальных сечениях трубы, зти турбулентные пробки, чередуясь 232 ои/оое 1,а 04 1 д) 1О 'оао ода аоо о,оа и/а Рис. 9он Влияние высоты турбулизаторов на зффективиость интенсификации теплообмена (Иу = 0,5): г — ог = з; яе =, ь1зп з — Рг=з: не=4.ГЕ', З вЂ” Ог-а,т; Не =4. 10 Рис. 9.5. Схемы запалов, образованных плот- ной упаковкой шахматного пучка труб (а); з/г(н = ! (б) с ламинарными (перемежаемость течения), движутся вниз по течению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
