Турбулентная вынужденная конвекция и потери давления в однофазном закрученном потоке, страница 4

Рис. 1.7. Расчет коэффициента гидравлического сопротивления в изотермических условиях в зависимости от числа Re для k = 0,9

К аналогичным выводам приводит и сопоставление имеющихся соотношений для расчета теплоотдачи в турбулентном закрученном потоке. Необходимо отметить, что сопоставления, подобные представленному на рис. 1.7, как по коэффициентам гидравлического сопротивления, так и по теплоотдаче, присутствуют почти в каждой из упомянутых выше монографий. Проведенный авторами [10] анализ достаточно большого числа экспериментальных работ, показал, что значительный разброс опытных данных по коэффициентам гидравлического сопротивления и теплоотдаче в турбулентном закрученном потоке связан с недостаточной длиной участка стабилизации, различиями в шероховатости поверхностей труб и лент, неравномерностью шага скрученной ленты, особенностями конструкции отборов давления. Аналитические зависимости для расчета теплоотдачи в турбулентном закрученном потоке, представленные, например в [8,10–11] построены на рассмотрении закрученных течений в целом. Эти расчетные методики достаточно сложны в использовании, замыкание получаемых уравнений осуществляется, так или иначе, с использованием полуэмпирических  соотношений.

Подводя итог, необходимо отметить, что основные опытные исследования гидродинамики и теплообмена в закрученном с помощью лент потоке были выполнены более 20 лет назад. Современные исследования выполняются, как правило, для лент с модифицированной поверхностью [29–32] или с применением так называемых наножидкостей [33]. Построенные на имеющемся опытном массиве расчетные соотношения дают, для одинаковых условий, значения, отличающиеся друг от друга до двух раз. Все это приводит к необходимости проведения собственных экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена для более сложного случая течения закрученного потока в условиях одностороннего нагрева.

1.2. Теплообмен при кипении в недогретом потоке

За последние десятилетия выполнено достаточно много работ, посвященных исследованию теплоотдачи при кипении, накоплен обширный банк экспериментальных данных. Анализ подходов к описанию теплоотдачи при кипении и обзор основных исследований деталей механизма кипения в большом объеме приведен в [34–36]. Интенсивность теплоотдачи при кипении зависит от большого числа термодинамических и гидродинамических факторов, определяющих процесс кипения. Для исследования механизма пузырькового кипения проводятся численные опыты по исследованию роста и отрыва пузырьков, испарения жидкости по периферии сухого пятна [37–40], ставятся оригинальные эксперименты [41–44]. Эти интересные физические и численные эксперименты, раскрывающие детали процесса кипения, практически не влияют на проведение расчетов и разработку теплообменного оборудования, использующего пузырьковое кипение. В инженерных расчетах десятилетиями используются, как правило, эмпирические уравнения, обобщающие опытные данные. Для повышения научного уровня инженерных расчетов на базе современных представлений о механизмах пузырькового кипения наиболее рациональный путь связан с использованием уравнений, построенных на приближенной теории процесса. Этот путь проложил своими работами Д.А. Лабунцов [45]. В [46] им, исходя из представлений, что теплообмен при кипении определяется внутренними механизмами, впервые на основании физической модели было получено расчетное соотношение, связывающее плотность теплового потока и перегрев стенки относительно температуры насыщения DТ_s=Т_ст-Т_s. В основу модели положена гипотеза, согласно которой пульсационное движение в пристенном слое жидкости, обусловленное возникновением и ростом паровых пузырей, количественно может быть охарактеризовано некоторой средней скоростью, аналогичной по своей роли динамической скорости при однофазной турбулентной конвекции. Итоговое соотношение работы [46] имеет вид:

            (1.11)

где q₁ – «конвективная» составляющая плотности теплового потока, обусловленная  ростом и движением паровых пузырей, q₂ – составляющая плотности теплового потока, связанная с испарением жидкости.