Интенсификация теплоотдачи при течении однофазной среды, страница 4

Теоретическое и экспериментальное обоснование соотношения (2.8) явилось предметом научного открытия “Закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции” со следующей формулой: установлена неизвестная ранее закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции, заключающейся в том, что в определенном соотношении размеров и расположений турбулизаторов рост теплоотдачи больше роста гидравлического сопротивления по сравнению с аналогичным гладким каналом [2.5].

Теплоотдача и сопротивление в каналах с кольцевой накаткой

Накатка ¾ эффективный метод интенсификации теплоотдачи ¾ применительно к трубчатым теплообменным аппаратам. При этом на наружной поверхности трубы образуются периодически расположенные кольцевые канавки, а на внутренней ¾ кольцевые выступы с плавным профилем (рис. 2.4).

Этот метод разработан Э.К. Калининым,  Г.А. Дрейцером, Е.В. Дубровским, С.А. Ярхо, Г.И. Ворониным [2.3, 2.4].

Рис. 2.4. Труба с кольцевой накаткой

t ¾ шаг накатки; h ¾ высота выступа; d ¾ внутренний диаметр трубы;  ¾ минимальный диаметр трубы в зоне выступов

Трубы с кольцевыми турбулизаторами достаточно просто изготовить, возможна накатка труб с производительностью до 9 м/мин. В трубах с кольцевыми турбулизаторами образуется меньшая толщина слоя отложений. Именно в трубах с накаткой была обнаружена новая закономерность ¾ опережающий рост коэффициента теплоотдачи по сравнению с увеличением гидравлического сопротивления. Эта закономерность, которая была признана в качестве научного открытия, наблюдается в определенном диапазоне размеров и расположений турбулизаторов.

При анализе эффекта накатки выделены три области:

·  Re < Re_кр, где теплоотдача для трубы с накаткой может быть больше или меньше, чем для трубы с технически гладкой поверхностью,  в  зависимости от числа Pr и параметров накатки.

·  Re_кр< Re < Re*, где   >> ;

·  Re>Re *, где   >1=const.

Во второй области наблюдается повышение теплоотдачи до двух-трех раз в результате более раннего перехода к турбулентному течению. Более эффективными оказываются турбулизаторы сравнительно большой высоты. С увеличением числа Re (третья область) турбулентный обмен в ядре усиливается, и термическое сопротивление сосредотачивается полностью в тонком пристенном слое. Толщина слоя становится соизмеримой с высотой турбулизатора. Пока высота турбулизатора меньше толщины слоя жидкости, имеющего основное термическое сопротивление, рост чисел Re и Pr сопровождается повышением интенсивности теплообмена. Таким образом, в области слабо развитой турбулентности наиболее эффективными оказываются высокие турбулизаторы.

При развитом турбулентном течении применение высоких турбулизаторов нецелесообразно, так как увеличение переноса теплоты вдали от стенки не дает существенного увеличения теплоотдачи, но вызывает большой рост гидравлического сопротивления.

Рассмотрим эффективность повышения теплоотдачи в зависимости от характеристик элементов шероховатости.

На рис. 2.5 показаны изменения отношения  (1) и  (2) от относительной высоты турбулизатора при течении воздуха в трубе с накаткой. В случае малых высот диафрагмы повышение коэффициента гидравлического сопротивления и теплоотдачи примерно одинаковое. В случае больших высот накатки рост гидравлического сопротивления опережает рост теплоотдачи.

Шаг расположения турбулизатора существенно влияет на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление. На зависимости коэффициента теплоотдачи от отношения шага расположения турбулизатора к его высоте имеется максимум при t/h » 10.  Отношение коэффициентов гидравлического сопротивления  примерно постоянно до значений t/h<10, далее с ростом t/h  оно уменьшается.