Материал: teplo_2012

интенсификации теплообмена является искусственная турбулизация потока. При умеренном росте гидравлического сопротивления она значительно увеличивает коэффициент теплоотдачи. Рассматриваемый метод интенсификации теплообмена основан на детальном изучении структуры турбулентного течения в каналах.

На рис. 4.5 показано распределение вдоль радиуса трубы r безразмерных температур θ, скорости wх(r)/w0, плотности теплового потока q(r)/qw, массовой скороcти ρwx/(ρw)0 и коэффициента турбулентного переноса импульса μт/μ при течении в трубе газа.

Рис. 4.5. Распределение параметров вдоль радиуса трубы при течении газа с

Rew = 4,3·104; Pr = 0,7: 1 – нагревание воздуха при Tw = 1000 К, Tf = 154 К; 2 –

охлаждение воздуха при Tw = 300 К, Tf = 902 К; 3 – изотермическое течение

126

ях. В то же время ясно, что дополнительная турбулизация ядра потока (где λт велико, а q << qw) мало увеличит теплоотдачу, хотя и приведет к большому росту гидравлических потерь.

Эффективным методом интенсификации теплоотдачи является создание в пристенной области отрывных зон. Наилучшие результаты получаются при дискретной турбулизации потока на стенках каналов, причем источниками турбулентных вихрей должны служить плавно очерченные выступы или канавки с высотой y+ = 60 ÷ 50. Их не рекомендуется располагать слишком часто (t/h = 5 ÷ 10, где h – шаг, а t – высота турбулизатора), так как возникающие при этом за турбулизатором пульсации не успеют заметно затухнуть на пути к следующему турбулизатору и будут диффундировать в ядро, увеличивая тем самым интенсивность пульсаций. Подобное явление имеет место в шероховатых трубах и ведет к значительному росту гидравлических потерь при небольшом повышении теплоотдачи.

Если же увеличить расстояние между турбулизаторами, то дополнительно возникшие в зоне вихри и генерируемые при их периодическом разрушении турбулентные пульсации переносятся потоком близко к стенке, повышая λт только около нее, а значит, интенсификация теплоотдачи будет достигнута ценой минимальных гидравлических потерь. При слишком большом (t/h = 50 ÷ 100) расстоянии между турбулизаторами дополнительная турбулентность успевает заметно затухнуть на некотором расстоянии от турбулизатора, и остальной участок канала до следующего турбулизатора по структуре потока будет мало отличаться от гладкого канала.

Максимальное увеличение теплоотдачи Nu/Nuгл и гидравлического сопротивления ξ/ξгл по сравнению с гладкой поверхностью достигается при t/h10, причем максимум Nu/Nuгл не зависит от формы турбулизатора, а максимум ξ/ξгл сильно зависит (он минимален при плавной форме турбулизатора).

Для трубчатых теплообменных аппаратов в каналах любого поперечного сечения часто используют следующий рациональный метод интенсифика-

128

ции теплообмена. На наружной поверхности теплообменных труб накаткой наносят периодически расположенные кольцевые канавки (рис. 4.6). При этом на внутренней поверхности труб образуются кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Диаграммы и кольцевые канавки турбулизируют поток в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена как снаружи, так и внутри труб. При этом не увеличивается наружный диаметр труб, что позволяет использовать их в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки трубчатых ТА. Данные поверхности теплообмена применяются в трубчатых аппаратах, работающих на газах и жидкостях, а также при кипении и конденсации теплоносителей.

Рис. 4.6. Профиль теплообменных труб с накаткой

Возникающие на таких поверхностях отрывные зоны как источники вихревых структур формируют неустойчивость вязкостных течений, расширяя тем самым переходную область (Re = 2 000 ÷ 5 000), в которой достигаются наиболее эффективные соотношения между ростом коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления (Nu/Nuгл = 2,83 при ξ/ξгл = 2,85). На основе выявленного механизма взаимодействия искусственных турбулизаторов с потоком в области перехода и слаборазвитой турбулентности установлено, что рациональная интенсификация достигается в этих условиях при достаточно больших высотах диафрагм ( d1′ / d1 = 0,92) и оптимальном шаге t/d1 = 1. В определенном диапазоне соответствующих размеров и расположений турбулизаторов рост теплоотдачи больше роста гидравлического сопротивления по сравнению с аналогичным гладким каналом.

129

Использование практически реализуемого соотношения Nu/Nuгл < ξ/ξгл позволяет при заданных значениях тепловой мощности и гидравлического сопротивления теплообменника уменьшить не только объем аппарата, но и площадь его поперечного сечения. Применение данного метода интенсификации позволяет уменьшить объем теплообменного аппарата примерно в 2 раза при неизменных значениях тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителя. Значительный эффект наблюдается в переходной области. При этом объем теплообменного аппарата может быть уменьшен в 2,5 раза.

Область с Nu/Nuгл > ξ/ξгл имеет место и при продольном обтекании пучков труб с кольцевыми канавками, вплоть до Nu/Nuгл = 1,4 ÷ 1,5 при относительном шаге размещения труб в пучке S/d2 = 1,2. При этом объем аппарата может быть снижен на одну треть. Накатка труб с различными соотношениями между глубиной канавок снаружи и высотой диафрагм внутри труб позволяет получить оптимальную интенсификацию теплоотдачи по обеим поверхностям теплообмена при различных шагах размещения труб в пучке

(S/d2 = 1,05 ÷ 1,5).

Опытные данные по средней теплоотдаче при нагревании и охлаждении газов обобщаются следующими зависимостями:

при d1′ / d1 = 0,88 ÷ 0,98, t/d1 = 0,25 ÷ 0,8*

при d1′ / d1 = 0,88 ÷ 0,98, t/d1 = 0,8 ÷ 2,5:

при d1′ / d1 = 0,90 ÷ 0,97, t/d1 = 0,5 ÷ 10:

130