Интенсификация теплообмена в каналах с кольцевыми турбулизаторами при переходном режиме



Введение

Интенсификация теплообмена и повышение энергетической эффективности теплообменных аппаратов представляют большой интерес и имеют огромное народнохозяйственное значение.

Уменьшение массы и габаритов теплообменных аппаратов является актуальной проблемой. Наиболее перспективный путь решения этой проблемы — интенсификация теплообмена.

При выборе методов интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления поверхности, технологичность сборки теплообменного аппарата, прочностные требования, загрязняемость поверхности и т. д.

Из всех методов интенсификации теплообмена в трубах наибольшее внимание как эффективным и технологически реализуемым уделяется искусственной турбулизации потока кольцевыми диафрагмами.

Сущность этого метода заключается в следующем. На наружной поверхности трубы накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки. При этом на внутренней стороне образуется кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристеночном слое и обеспечивают интенсификацию снаружи и внутри труб. При этом не увеличивается наружный диаметр что позволяет использовать данные трубы в тесных пучках и не меняет существующей технологии сборки теплообменных аппаратов. [1]

Интенсификация теплообмена впереходном режиме.

Потребность в интенсификации часто появляется тогда, когда увеличение скорости потока в переделах допустимых на практике гидравлических потерь давления не обеспечивает получение необходимых габаритных размеров теплообменных устройств или заданной температуры стенок.

Критерием эффективности метода интенсификации теплообмена для теплообменных аппаратов будет зависимость критерия Нуссельтаи коэффициентами сопротивлений, для каналов с интенсификацией() и для гладких каналов ().

а) б)

Рис. 1. Теплообменная труба с кольцевой накаткой (а) и ее геометрические параметры (б).

Эффект интенсификации теплоотдачи в области перехода определяется двумя явлениями. Первое — это влияние искусственных турбулизаторов на форсирование критического числа Рейнольдса. Второе — искусственная турбулизация потока со слаборазвитой турбулентной структурой. Оба явления зависят от высоты турбулизаторов: заметный эффект уменьшения критического числа Рейнольдса в области перехода можно получить при высотах диафрагм [1].

На рис.2. показаны зависимости эффекта интенсификации от высоты диафрагм и их шага. С ростом высоты диафрагмы увеличивается эффект интенсификации. Увеличение шага от 0,5 до 1 при заметно уменьшается критическое число Рейнольдса, и эффект интенсификации растет. Интенсификация теплообмена в каналах с кольцевой накаткой прии в области ламинарно-турбулентного перехода приведены в таблице 1 [1].

Таблица 1

Интенсификация теплообмена вканалах скольцевой накаткой вобласти ламинарно-турбулентного перехода.

Re	1580	2000	2510	3160	3980	5000	6300	7950
Nu/Nuгл	0,94	1,41	2,06	2,05	1,99	1,93	1,9	1,85
/	1,26	1,48	2,01	1,95	2,09	2,28	2,42	2,55

Интенсификация теплоотдачи в области перехода весьма перспективна. Именно в ней были получены эффекты увеличения теплоотдачи в 3,5 раза [1].

Рис. 2. Влияние на интенсификацию теплоотдачи в области перехода: а) высоты диафрагмы (Re=2510); б) — шага диафрагмы (Re=3160) [1]

Экспериментальные исследования гидродинамики и теплоотдачи проводили авторы [2]. Эксперимент проводился при вынужденном течении воды в трубах с кольцевой накаткой длиной 1000 мм. Геометрические характеристики труб с кольцевой накаткой приведены в таблице 2.

Таблица 2

Геометрические характеристики труб скольцевой накаткой [2]

Номер трубы	h, мм	D, мм	t, мм	d/D	t/D	t/h	Условное обозначение
1	0,11	10,2	2,5	0,98	0,25	22,7
2	0,50	10,2	2,5	0,90	0,25	5,0
3	0,60	10,2	2,5	0,88	0,25	4,2
4	0,50	10,2	5,0	0,90	0,5	10,0
5	1,00	10,2	5,0	0,80	0,5	5,0
6	1,00	7,6	4,0	0,74	0,5	4,0
7	0,15	10,2	10,0	0,97	1,0	67,0
8	0,45	10,2	10,0	0,91	1,0	22,2
9	0,50	10,2	10,0	0,90	1,0	20,0
10	0,70	10,2	10,0	0,86	1,0	14,3
11	1,00	10,2	10,0	0,80	1,0	10,0
12	1,00	7,6	7,5	0,74	1,0	7,5

Результаты экспериментальных исследований авторов [2] приведены на рис.3. При Re=1000…4000 в трубах с кольцевой накаткой наблюдается резкое увиличение коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи по сравнению с аналогичными параметрами гладких труб. Эффект связан с тем, что в гладких трубах может еще наблюдаться ламинарное течение, а в трубах с кольцевой накаткой при этих же значениях числа Рейнольдса уже развиваются переходный и турбулентный режимы течения.

а) б)

Рис. 3. Экспериментальные значения коэффициентов гидравлического сопротивления (а) и теплоотдачи (б) в каналах с кольцевой накаткой [2].

Видно по выше показанным данным интенсификация теплообмена в каналах с кольцевой накаткой в переходной области достигаются наиболее эффективные соотношения между ростом коэффициентов теплоотдачии гидравлического сопротивления.

Интенсификация теплоотдачи в каналах с кольцевой накаткой в области перехода, может обеспечивать уменьшение габаритных размеров при неизменных суммарных потерях давление на прокачку теплоносителей через теплообменного аппарата.

Литература:

1. Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, И. З. Коп, А. С. Мякочин «Эффективные поверхности теплообмена». — М.: Энергоатомиздат 1998. с.94–102.
2. Каськов С. И., Попов И. А., Щелчков А. В. Исследование теплогидравлической эффективности каналов с кольцевой накаткой и со сферическими выступами при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5.
3. Кутателадзе С. С. «Теплопередача и гидродинамические сопротивление: Справочное пособие. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 318 с.
4. Мигай В. К. Повышение эффективности современных теплообменников. Ленинград, Энергия, 1980.