Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

В трубах и каналах с искусственной шероховатостью течение жидкости в окрестностях элементов шероховатости в диапазоне скоростей, при которых наблюдается интенсификация теплообмена, носит преимущественно отрывной характер. Особенностью интенсификации теплообмена в диффузорно-конфузорных каналах, как считают авторы работы [16], является то, что она имеет место в условиях предотрывного течения. Возникающие в этих каналах продольные знакопеременные градиенты давления являются причиной того, что энергия турбулентности, накопленная потоком в диффузоре полезно используется в конфузорной части канала. Для предупреждения отрыва диффузорную часть стремятся сделать более короткой. Теплообмен в таких каналах интенсифицируется в 1,5…2 раза при соизмеримом и даже меньшем увеличении сопротивления по сравнению с гладкими трубами. Причем наибольшая интенсивность теплообмена, как утверждают авторы, наблюдалась именно при безотрывном течении.

Для объяснения эффекта увеличения теплоотдачи в продольно-профилированных трубах и каналах, в том числе с дискретной искусственной шероховатостью, можно воспользоваться обобщенной моделью, предложенной А.Л. Ефимовым. В соответствии с этой моделью переход к турбулентному течению в пределах начального участка гладкостенных труб и каналов может быть представлен схемой, приведенной на рис. 2.3. Асимптотические значения турбулентности потока вдали от входа _ не зависят от начальной степени турбулентности ₀ на входе в канал и определяются режимом течения. При установившемся турбулентном течении в трубах и каналах на оси _ = 4,5%. Поэтому, если турбулентность потока на входе в канал выше этого значения (₀ _), то вдоль начального участка уровень турбулентности потока снижается до _. Если ₀ _ , то имеет место увеличение турбулизации до _. Чем выше начальная степень турбулентности, тем раньше начинается переход к турбулентному течению (см. точки 1, 1, 1 на рис. 2.3. Кроме того, уменьшается протяженность начального участка (см. точки 2, 2, 2 на рис. 2.3).

- 26 -

₀

₀

₀

2

2

2

b

b

b

1

1

1

a

a

a

_

L_кр

L_кр

I

II

Рис. 2.3. Обобщенная схема модели перехода ламинарного течения

к турбулентному в начальном участке канала

I, II – области развития ламинарного и турбулентного пограничных слоев

В профилированных трубах и каналах, в том числе и с искусственной шероховатостью, вследствие внезапного или плавного расширения и сужения потока и искривлении его траектории, ламинарный подслой оказывается менее стабильным, сокращается время и длина, необходимые для достижения им критического состояния, и, как следствие, уменьшается его толщина по сравнению с течением в гладких каналах. Во многих случаях, например в трубах с поперечными, спиральными или сегментными выступами, течение принимает отрывной характер с типичными для него крупномасштабными зонами рециркуляции в окрестности элементов шероховатости. При этом периодичность потока совпадает с периодом профиля канала.

Профилированные каналы позволяют интенсифицировать теплообмен в широком диапазоне чисел Рейнольдса: Re = 400…10⁵ и более [15,16,22]. Причем этот процесс осуществляется рациональным образом, когда выполняются условия:

- 27 -

для каналов

Nu / Nu_гл   / _гл , (2.3)

где  и _гл  коэффициенты сопротивления профилированного и гладкого каналов;

для аппаратов

Q / Q_гл  P / P_гл , (2.4)

где Q , Q_гл.  теплопроизводительность теплообмеников с профилированными и гладкими каналами; P, P_гл  потери давления в теплообмениках с профилированными и гладкими каналами. Но для этого необходимо чтобы:

(2_w)^0,5h_n/ = 5…50 , (2.5)

где _w  касательное напряжение трения на стенке гладкой трубы при развитом турбулентном течении;   плотность среды; h_п  высота профиля относительно базовой поверхности;   коэффициент кинематической вязкости среды. Кроме того, относительное расстояние между элементами должно составлять t / h_п = 8 …12.

В рамки обобщенной модели течения в профилированных каналах укладывается случай продольного и поперечного обтекания пучка гладких и ребристых труб. Например, поперечное обтекание шахматного пучка труб можно рассматривать, как течение в системе параллельных диффузорно-конфузорных волнистых каналов, в каналах с прерывистыми стенками. Интенсификация теплообмена по сравнению с гладкими каналами в этом случае объясняется малой протяженностью элементов поверхности, эффектом влияния начального участка, чередованием зон отрывного и безотрывного обтекания элементов поверхности, генерацией турбулентности каждым рядом пучка.

При продольном внешнем обтекании пучков труб с наружными поперечно-спиральными или круглыми ребрами интенсификация достигается за счет образования вихрей в межреберных полостях, улучшающих условия их вентилирования, при периодическом выбросе части жидкости из них и замещении ее жидкостью из внешнего потока.

Широкое применение шахматных и коридорных пучков оребренных труб для теплообменных аппаратов повышает требования к эффективности поверхностей нагрева. В связи с этим важным является вопрос об интенсификации теплообмена на таких поверхностях с целью снижении их металлоемкости. Так, в работе [24] рассматривается перспективность применения цельнокатаных дюралюминиевых труб со спиральными гладкими и разрезными ребрами. Ребра выполнялись методом прокатки из толстостенной трубы по технологии ВНИИметмаша. Форма и геометрические размеры исследованных труб представлены на рис. 2.4. и в табл.2.1. Там же приведены значения коэффициентов пропорциональности и показателей степеней для формул Nu = A Reⁿ и  = B Re^-m, с помощью которых аппроксимированы опытные данные по теплообмену и гидродинамике.

h

h

d

d₀

D

а

б

г

в

е

д

- 28 -

Рис. 2.4. Трубы с поперечно-спиральным и поперечным разрезным наружным

оребрением

а  № 1; б  № 2, 3; в  № 4, 6; г – трубы с поперечными круглыми ребрами,

разрезанными вдоль оси трубы; д, е – трубы с облегченным оребрением

Для интенсификации конвективного теплообмена ребра труб № 46 разрезаны по винтовой линии под углом  = 45^o с числом заходов, равным восьми. При этом получились короткие пластинки (лепестки), которые располагались в шахматном порядке по образующей цилиндра. В результате эксперимента установлено, что разрезка ребер ведет к увеличению аэродинамического сопротивления и теплообмена примерно в 1,7 раза. Рост теплоотдачи объясняется разрушением лепестками разрезных ребер пограничного слоя в зонах с малой скоростью течения между ребрами. Разрезка ребер биметаллических ребристых труб № 3 также увеличила теплоотдачу, но только на 30% при росте сопротивления на 35 %.

В

- 29 -

о избежание нарушения теплового контакта разрезка ребер биметаллических труб должна производиться не на полную высоту ребра, а лишь на 2/3 или 3/4 ее. Применение пучков таких труб в воздухоподогревателях позволяет уменьшить их габариты и массу в 1,5…1,75 раза. Примерно такие же результаты получили авторы работы [17], в которой, в отличие от [24], ребра разрезали только у вершины.

Таблица 2.1. Геометрические характеристики испытанных поверхностей

теплообмена

  коэффициент оребрения.

В работе [24] разрезка ребер производилась в плоскости, проходящей через ось трубы, т.е. вдоль ее образующей (рис. 2.4, г). Когда ребра у биметаллической трубы были разрезаны на полную глубину, рост теплоотдачи составил всего 10 %, а аэродинамическое сопротивление увеличилось при этом на 60 %. Низкая степень интенсификации теплообмена объясняется нарушением теплового контакта между ребристой оболочкой и несущей внутренней трубой. При уменьшении глубины разрезки до 3/4 высоты ребра интенсивность теплообмена возрастала на 25…30 %.

Наряду с поверхностями труб с разрезными ребрами представляет интерес поиск иных методов интенсификации теплообмена на ребристых трубах. Так, в [1] предложено интенсифицировать теплоотдачу за счет применения вогнутого пластинчатых ребр, насаженных на трубы (рис.2.5). В опытах по изучению вихревого течения на вогнутых пластинах использован способ «вымывания» слоя нафталина потоком воздуха. При этом для

Характеристики

Список файлов книги