Интенсификация теплоотдачи при течении однофазной среды, страница 7

.

Формула (2.11) справедлива в диапазоне

0 £ D /l £ 0,125.

Повышение теплоотдачи на 33% сопровождается ростом гидравлического сопротивления на (70¾80)%.

Зависимость отношения коэффициентов гидравлического сопротивления в случае закрученного и прямолинейного потока от величины, обратной коэффициенту закрутки ленты, представлена на рис. 2.9. При (1/ y) < 0,05 гидравлическое сопротивление не зависит от закрутки потока. При увеличении 1/y гидравлическое сопротивление возрастает и его можно определить по формуле

где x₀ ¾ коэффициент гидравлического сопротивления для прямолинейного потока.

Рис. 2.9. Зависимость отношения коэффициентов гидравлического сопротивления в случае закрученного и прямолинейного потока от величины, обратной коэффициенту закрутки ленты

Конвективный теплообмен в канале с закруткой потока определяется двумя составляющими. Одна связана с трением, другая с вихревым смешением, вследствие тангенциальной составляющей скорости.

Сравнение данных различных исследований

Сопоставим данные по влиянию закрученной ленты на теплоотдачу и гидродинамику в условиях стабилизированного течения.

Влияние закрученной ленты на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление при числе Re = 3·10⁴ по данным различных исследований иллюстрируется на рис. 2.10 [2.6]. Коэффициент К характеризует закрутку потока :

,

где p=3,14.

По вертикали на рис. 2.10 отложены отношения чисел Нуссельта и коэффициентов гидравлического сопротивления для закрученного и прямолинейного потока. С ростом К отношение чисел Nu увеличивается, при К=0,5 теплоотдача увеличивается на 25¾75%, коэффициент гидравлического сопротивления ¾ в два-три раза. Разброс данных по теплоотдаче и гидродинамике вызван тем, что в различных исследованиях могли быть различными длина участка стабилизации потока, шероховатость трубы и лент, шаг скрученной ленты.

Рис. 2.10. Зависимость отношения чисел Нуссельта в случае закрученного и прямолинейного потока от коэффициента К, характеризующего закрутку потока, по данным различных исследований

Механизм повышения теплоотдачи при закрутке

потока лентой

При закрутке потока лентой в поперечном сечении происходят перетекания от периферии к центру в результате градиента давления (рис. 2.11). Жидкость из пограничного слоя проникает (показано стрелками) в ядро потока. Эти движения приводят к возникновению четырех вихревых областей, которые способствуют усилению обмена, и совместно с действием центробежных сил уменьшают толщину пограничного слоя. Кроме того, вихревое смешение приводит к возникновению турбулентного течения при меньших числах Re.

Рис. 2.11. Схема образования вторичных течений в трубе с закрученной лентой

Таким образом, повышение теплоотдачи при закрутке потока с помощью ленты обусловлено следующим:

·  увеличением пристеночной скорости;

·  перестройкой потока и появлением вторичных течений и вихрей;

·  повышением турбулентности потока.

Закрутку потока можно также осуществить с помощью пристенных завихрителей. При использовании пластинчатых спиральных завихрителей турбулентность в пристенном слое повышается вследствие закрутки и срыва потока. Оптимальные размеры пластинчатых завихрителей составляют: l/d=3,5¾4; h/d = 0,2.

На рис. 2.12 сравниваются характеристики различных закручивающих устройств.

Рис. 2.12. Изменение отношения чисел Нуссельта (1, 2, 3) и коэффициентов гидравлического сопротивления (4, 5, 6) от числа Re

1, 4 - спиральная накатка, 2, 5 - закрученная лента, 3, 6 - пластинчатый завихритель

На рисунке приведены отношения чисел Nu (1, 2, 3) и коэффициентов гидравлического сопротивления (4, 5, 6) для каналов с интенсификатором теплосъема и без него. Кривые 1 и 4 соответствуют использованию спиральной накатки, кривые 2, 5 ¾ закрученной ленты, кривые 3, 6 ¾ пластинчатого завихрителя [2.8].