Материал: teplo_2012
Таблица1.5.
Схемы устройств, применяемых для интенсификации теплоотдачи
Интенсифик- |
Схема |
Интенсификатор |
Схема |
|
тор |
||||
|
Труба с винто- |
|
||
Закрученная |
|
|
||
лента |
|
образными |
|
|
|
|
плавно очерчен- |
|
|
|
|
ными выступами |
|
|
|
|
|
|
Шнековый за- |
Витая труба |
вихритель |
|
Таблица1.5.
|
|
Чередующиеся- |
Кольцевой ка- |
|
плавно очерчен- |
|
ные кольцевые |
|
нал типа диф- |
|
|
|
выступы на |
|
фузор- |
|
|
|
внутренней по- |
|
конфузор |
|
|
|
верхности глад- |
|
|
|
|
|
|
кой трубы |
|
|
|
41
Объясняется это тем, что диссипация энергии при распадении масштабных вихревых структур (они возникают при закрутке потока) существенно превышает выработку турбулентности – на подпитку ослабевающих вихрей нужен непрерывный подвод энергии извне.
Установлено, что при турбулентном и переходном режимах течения целесообразно интенсифицировать турбулентные пульсации не в ядре потока, а в пристенном слое, где турбулентная теплопроводность мала, а плотность теплового потока максимальна, потому что на этот слой приходится 60…70% располагаемого температурного напора «стенка–жидкость». Чем больше число Прандтля Рr, тем на более тонкий слой целесообразно воздействовать.
Перечисленные рекомендации могут быть реализованы каким-либо другим способом, например накаткой чередующихся плавно очерченных кольцевых выступов на внутренней поверхности гладкой трубы. Для капельных жидкостей с Рr = 2 ÷ 80 наилучшие результаты были получены при tвс/dвн = 0,25 ÷ 0,5 и dвс/dвн = 0,94 ÷ 0,98. Так, при Rе = 105 теплоотдача возрастает в 2,0-2,6 раза при росте гидравлического сопротивления в 2,7-5,0 раз по сравнению с теплоотдачей гладкой трубы. Для воздуха хорошие результаты получены при tвс/dвн = 0,5 ÷ 1,0 и dвс/dвн = 0,9 ÷ 0,92: в переходной области течения (Rе = 2 000 ÷ 5 000) отмечен рост теплоотдачи в 2,8 ÷ 3,5 раза при увеличении сопротивления в 2,8-4,5 раза (сравнивается с гладкой трубой).
Методы механического воздействия на поверхность теплообмена и воздействия на поток электрического, ультразвукового и магнитного полей изучены еще недостаточно.
42
1.8. Пластинчато-ребристые теплообменники
Этот тип теплообменников относится к числу наиболее компактных аппаратов благодаря развитой поверхности теплообмена в ограниченном объеме ТА. Особенностью этих теплообменников является высокое отношение поверхности теплоотдачи к единице объема, которое может достигать 6 000 м2/м3 и более. Для сравнения, компактность гладкотрубчатого ТА с трубами диаметром 6…12 мм составляет порядка 250 м2/м3. По этой причине пла- стинчато-ребристые теплообменники обычно называют «компактными теплообменниками». Пластинчато-ребристые поверхности особенно эффективны для теплообменников типа газ – газ, требующих сильно развитую поверхность со стороны обоих теплоносителей.
Наиболее употребительными конструкционными материалами являются алюминий и сталь. Алюминиевые конструкции обычно бывают полностью паяными, а в стальной может использоваться как пайка, так и сварка. На рис. 1.15 показаны основные элементы теплообменника с паяными оребренными пластинами. Он состоит из гофрированной ребристой пластины 1, соединенной с разделительной пластиной 2 и закрытой штампованными боковыми каналами 3.
Рис. 1.15. Элементы канала пластинчато-ребристого теплообменника: 1 – гофрированные ребра; 2 – пластины; 3 – боковые уплотнительные полосы
Типичные конфигурации ребристой пластины будут еще рассмотрены. Сердечник теплообменника образован пакетом множества слоев, включающих ребристые и разделительные пластины. Пластинчато-ребристые теплообменники могут иметь большое разнообразие форм и размеров.
43
Конфигурации пластинчато-ребристых поверхностей
Любые из этих поверхностей могут быть скомбинированы между собой, образуя «сложный» теплообменник типа сэндвича с перемежающимися каналами для теплоносителей. Пластинчато-ребристые поверхности в зависимости от типа ребра подразделяются на поверхности с гладкими, жалюзийными, пластинчатыми и волнистыми, а также со стерженьковыми и перфорированными ребрами.
Поверхности с гладкими ребрами отличаются длинными каналами с гладкими стенками с характеристиками, близкими к полученным для движения внутри длинных круглых труб (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Поверхность с непрерывными гладкими ребрами Это самый простой тип поверхности, который имеет наименьшую теп-
лоотдачу по сравнению с другими поверхностями и в то же время наименьшее гидросопротивление. Здесь отчетливо проявляется влияние длины канала на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление. Теплоотдача по длине таких поверхностей заметно уменьшается по тем же причинам, что и в прямых трубах – в результате образования вязкого слоя на поверхности, поэтому такие поверхности редко используются.
Следует отметить, что пластинчато-ребристые поверхности теплообмена могут иметь каналы прямоугольного и треугольного сечений и каналы со скругленными углами как в поперечном сечении, так и на входе; поэтому существует большое разнообразие геометрических разновидностей таких поверхностей (рис. 1.17). Некоторые из поверхностей с каналами треугольного
44
сечения представляют собой комбинацию двух систем с различными размерами ребер, что позволяет конструктору добиться нужного соотношения поверхностей на горячей и холодной сторонах.
Рис. 1.17. Гладкие непрерывные ребра: а – прямоугольные; б – трапецевидные; в – треугольные
Поверхности с волнистыми ребрами (рис. 1.18) более эффективны по сравнению с гладкими непрерывными. Изменения направления потока, вызванные ребрами, приводят к отрыву пограничного слоя. Такой тип поверхности имеет умеренное гидросопротивление.
Пластинчато-стерженьковые поверхности являются примером развитой поверхности, в которой высокие значения коэффициента теплоотдачи обусловлены тонким пограничным слоем на ребрах.
Рис. 1.18. Поверхности с волнистыми ребрами
При изготовлении ребер (рис. 1.19) из тонкой проволоки эффективная длина ребра равна половине окружности, поэтому очень мала. Однако эти поверхности характеризуются весьма высокими значениями коэффициента сопротивления, обусловленными главным образом отрывом пограничного слоя при поперечном обтекании стержней. Тем не менее, высокие значения
45