Современное состояние исследований по интенсификации процессов гидродинамики и теплообмена в каналах с локальными завихрителями. Часть 1



Интенсификация теплообмена в теплообменных аппаратах имеет большое народнохозяйственное значение. В результате интенсификации процессов теплообмена можно добиться существенного уменьшения массы и габаритов теплообменного оборудования, а также обеспечить заданный температурный уровень элементов этого оборудования и повысить надежность их работы.

По современной классификации методов интенсификации теплообмена [1–3] закрутка потока в каналах, создаваемая с помощью закручивающих устройств, относится к пассивным методом интенсификации, т. е. не требует дополнительного подвода энергии извне в отличие от активных методов, к которым относятся, например, такие, как вибрация теплообменной поверхности или магнитного полей, перемешивание жидкости или вращение поверхностей теплообмена, вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность.

Закрутка потока в каналах может обеспечиваться не только специально предназначенными для этого закручивающими устройствами, такими, как скрученные ленты, шнеки, устройства для тангенциального подвода теплоносителя или аксиально-лопаточные завихрители, но и другими методами, также отнесенными в классификациях к пассивным: оребрением, развитием и профилированием поверхностей, винтовыми вставками, накатками, навивками и т. п. В промышленности и энергетике пассивные методы интенсификации теплообмена, занимают ведущую роль. Это обусловило широкое распространение в технике способа интенсификации теплообмена с помощью закручивающих элементов различной геометрии.

Локальная закрутка потока осуществляется с помощью аксиально-лопаточных завихрителей, путем тангенциального ввода жидкости через один или несколько периферийных подводов, а также посредством улиточных завихрителей или тангенциально-лопаточных устройств [1–3].

Тангенциальный подвод жидкости в трубу осуществляется через одно или несколько отверстий. Эти отверстия могут иметь круглую или прямоугольную форму поперечного сечения, при этом возможно различное распределение подводящей жидкости по периметру поперечного сечения трубы и ее длине. Обычно закрутка потока таким способом осуществляется в начале трубы, при этом через тангенциальные каналы может подводиться вся жидкость или только часть ее.

Тангенциальный завихритель — наиболее простое и распространенное устройство (рис. 1, а). Форма подводящих каналов в тангенциальном завихрителе может быть прямоугольной, круглой или овальной. Число подводящих каналов изменяется от одного до четырех, при их увеличении степень азимутальной неравномерности скорости за завихрителем уменьшается. Основными геометрическими параметрами тангенциального завихрителя являются ширина b и высота a подводящего канала, диаметр d и длина l отводящего патрубка e [3].

Рис. 1. Виды завихрителей: а) тангенциальный завихритель; б) тангенциально-щелевой завихритель

Теплоотдача в трубе с тангенциальным завихрителем на входе в трубу подробно исследовалась А. Абкаряном, А. Нау и P. West (США). Для низких чисел Рейнольдса (Re_d10⁴) опытные данные обобщены уравнением (А. Нау и P. West) [1]:

(1)

которое получено для трубы длиной l/d=18,0. В области Re_d=(2…5)10⁵ при Ф<2,4 опытные данные для трубы l/d=25,0 обобщены уравнением (А. Абкарян) [1]:

(2)

Теплоотдача при охлаждении воздуха в длинной трубе (l/d=39) при тангенциальном подводе теплоносителя через одно отверстие исследовалась при различных конструктивных параметрах входа [4]. Опыты, проведенные при Re=3∙10³…2∙10⁴ и =0,5…1, показывают, что уменьшение сопровождается повышением интенсивности теплообмена.

Лучшие результаты, полученные в [4] в диапазоне Re=3∙10³…10⁴ с помощью тангенциального завихрителя, имеющего =0,5, можно охарактеризовать уравнением подобия

(3)

Тангенциально-щелевой завихритель (рис. 1, б) представляющий собой полый цилиндр, на торце которого выполнены узкие щели. Изменение степени закрутки завихрителя достигается изменением числа пазов и угла их наклона.

Локальная теплоотдача от поверхности трубы к воздушному потоку при закрутке тангенциально-щелевым завихрителем изучена Э. Волчковым и В. Тереховым. Угол закрутки потока на выходе из завихрителя достигал 74⁰. Полученные опытные данные обобщены уравнением

(4)

Здесь: * — текущее значение угла закрутки потока около поверхности канала.

Э. Волчков и С. Спотарь исследовали локальную теплоотдачу в трубе с частичной закруткой. Угол закрутки потока на выходе из завихрителя достигал 74 градусов. При течении воздуха опытные данные обобщены уравнением

(5)

Уравнение (5) получено в области =20…110, x/R=0,125 [3].

Недостатки таких завихрителей интенсивность создаваемой ими закрутки уменьшается по длине трубы, поэтому при длинных трубах закрутки потока надо многократно повторять.

Лопаточный завихритель представляет собой осевой направляющий аппарат с лопатками, расположенными по радиусу канала. Лопатки крепятся к внешнему кольцу и центральному телу диаметром d₀ и располагаются под определенным углом к оси канала. Конструкция лопаточных завихрителей показано на рис. 2. Лопатки завихрителя могут быть плоскими или криволинейными [3].

Рис. 2. Лопаточные завихрители: а) аксиально-лопаточный завихритель; б) завихритель с профилированными лопатками

А. Сударевым, В Антоновским и Л. Кузнецовым изучен локальный теплообмен в трубе длиной l/d=100 с закруткой воздуха аксиально-лопаточным завихрителем с постоянным углом закрутки лопаток (n=0). Угол закрутки лопаток _е изменялся от 50 до 78 градусов, безразмерный диаметр центрального тела составлял 0,65…0,83. В диапазоне изменения числа Re_x от 10⁵ до 10⁷ опытные данные обобщены уравнением

(6)

Здесь — параметр, определяющий изменение максимальной осевой скорости w_m по длине трубы.

А. Халатовым и В. Летягиным выполнены подробные исследования локального теплообмена в трубе длиной l/d=150 при закрутке воздуха аксиально-лопаточным завихрителем, сконструированным по степенному закону . В диапазоне изменения угла _с от 15⁰ до 60⁰ и показателе степени n от -1 до +3 получено следующее уравнение

(7)

где

(8)

Здесь _ — фактор закрутки потока.

В. Щукин и А. Ковальногов [1] исследовали локальную теплоотдачу в трубе с частичной закруткой потока при течении воды. В диапазоне Re_d=(1…9)10⁴ опытные данные обобщены уравнением (l/d=60)

(9)

Результаты исследования теплоотдачи в трубах с лопаточными завихрителями при =75⁰ и n=0 даны в виде графиков K_f=f(Re_f) [1].

Результаты исследования теплоотдачи при n=0, , равном 15⁰, 30⁰, 45⁰, 60⁰, и 75⁰, Re=10⁴÷9∙10⁴ для длинных труб (l/d=60) обобщены критериальным уравнением

(10)

Результаты исследования теплоотдачи в длинных трубах при закрутке потока на внешнем диаметре =45⁰ и n, равном -1; 0; и 3 в том же диапазоне изменения критерия Re обобщены критериальным уравнением

(11)

Результаты обобщения опытных данных по теплоотдаче в трубах с лопаточными завихрителями даны в виде графиков K_=f(Re_f) и K_п=f(Re_f) [2].

Наибольшее отклонение опытных точек от зависимостей, соответствующих формулам (10) и (11), не превышает 6 %.

Анализ полученных результатов показывает, что при одинаковых коэффициентах a завихрители с n>0 характеризуются несколько меньшим гидравлическим сопротивлением, чем завихрители с n=0. Так, длинные трубы с завихрителями, имеющими =75⁰, n=0 и =45⁰, n=3, при Re=idem характеризуются одинаковой интенсивностью теплообмена. Коэффициент гидравлического сопротивления при Re=10⁴÷9∙10⁴ для трубы с первым завихрителем больше, чем со вторым, при l/d=60 на 2,5–5 %, при l/d=50 — на 8–12 %, при l/d=30 — на 10–15 %.

Недостатком лопаточного завихрителя является азимутальная скоростная неравномерность на выходе, обусловленная конечным числом каналов и вязкими свойствами потока. Поэтому угол закрутки лопаток значим только в том случае, когда имеет место взаимное «перекрытие» плоскостей лопаток.

Литература:

1. Щукин В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. –М.: Машиностроение, 1980, -240.
2. Щукин В. К. Теплообмен и гидродинамики внутренних потоков в полях массовых сил. –М.: Машиностроение, 1970, -331 с.
3. Халатов А. А., Борисов И. И., Щевцов С. В. Тепломассообмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закрученных потоков. Киев. 2005, -500 с.
4. Халатов А. А. Теория и практика закрученных потоков. –Киев: Наукова Думка, 1989, -200 с.
5. Щукин В. К., Халатов А. А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. –М.: Машиностроение, 1982, -200 с.