Интенсификация теплоотдачи при течении однофазной среды, страница 5

Рис. 2.5. Изменение отношения чисел Нуссельта (1) и коэффициентов гидравлического сопротивления (2) для трубы с накаткой и без нее от относительной высоты турбулизатора при течении воздуха

Коэффициент гидравлического сопротивления существенно зависит от формы турбулизатора. Зависимости   для трубы с турбулизаторами различной формы и без турбулизаторов представлены на рис. 2.6. Величина x в случае турбулизатора с плавным очертанием существенно меньше, чем с прямоугольным профилем. С ростом числа Re до 5×10⁵ различие между  и  увеличивается и достигает трех раз.

Рис. 2.6. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re для технически гладкой трубы (1) и трубы с турбулизаторами различной формы

Механизм интенсификации теплоотдачи в каналах с шероховатой поверхностью

Интенсификация теплоотдачи в случае искуcственной шероховатости обусловлена следующим:

1. В результате создания отрывных зон и вихревых структур увеличивается интенсивность турбулентных пульсаций. Одним из распространенных средств образования вихревых структур являются  поперечные выступы, канавки на поверхности нагрева.

2. При ступенчатом расширении канала размеры вихревой зоны больше и интенсивность генерации турбулентности ниже, чем при плавном изменении сечения канала.

3. Наибольшая генерация турбулентности происходит на верхней границе вихря, где наибольшие градиенты осредненной скорости и наибольшие касательные напряжения и пульсации скорости. В этой зоне генерация турбулентности больше диссипации энергии. У стенки диссипация энергии преобладает над генерацией турбулентности. Известные методы расчета теплоотдачи для канала с турбулизаторами используют аналогию Рейнольдса. Эта аналогия не справедлива в зоне отрывных течений. В зоне отрыва потока и вблизи нее нет подобия профилей скорости и температуры. Для часто расположенных элементов шероховатости вне вихрей эта аналогия приближенно соблюдается и теплоотдачу можно рассчитывать по гидравлическому сопротивлению.

Влияние интенсификации теплоотдачи на солеотложения в трубах

В технике часто необходимо наряду с интенсификацией  теплоотдачи обеспечить предотвращение или снижение интенсивности роста солеотложений на поверхности теплообмена. Образование отложений зависит от таких факторов, как солевой и ионный состав воды и концентрация в ней солей, тепловая нагрузка, температура и скорость движения жидкости, свойства материала поверхности нагрева.

Перечисленные факторы определяют состав, структуру, интенсивность, термическое сопротивление отложений.

Существующие методы борьбы с солеотложением сводятся в основном к предварительной обработке воды, чаще всего химическими реагентами. Эти методы непригодны в случае, если требуется обработать большое количество воды. Кроме того, неприемлемы и такие способы борьбы с накипеобразованием как контактная стабилизация, добавление зернистых присадок, ультразвуковая, магнитная и радиационная обработка воды. Применение полимерных покрытий затруднено ввиду их малой стойкости к уносу, сложности нанесения и большого термического сопротивления.

Представляет интерес исследование возможности снижения солеотложений на поверхностях теплообмена за счет искусственной турбулизации потока.

Как показали экспериментальные исследования, применение турбулизаторов позволяет значительно уменьшить солеотложения в теплообменниках. Термическое сопротивление отложений R* на этих поверхностях, в отличие от гладких, изменяется асимптотически от времени. В этом случае имеется возможность эксплуатации теплообменника длительное время без специальных мероприятий по удалению отложений (естественно, в случае приемлемой величины R* при времени t®¥).