Интенсификация теплоотдачи при течении однофазной среды, страница 8

Как показывает сравнение, наибольшее повышение теплоотдачи получено для пластинчатого завихрителя, однако при наибольшем росте коэффициента гидравлического сопротивления.

Интенсификация теплоотдачи с помощью

закрутки потока в змеевиках

Змеевики обеспечивают существенную интенсификацию теплоотдачи по сравнению с прямыми трубами и компактность теплообменных поверхностей.

Гидродинамика при течении однофазной среды в спиральной трубе

Течение жидкости в криволинейных каналах, в частности, спиральных трубах, происходит под действием сил инерции, направленных перпендикулярно оси потока. На более быстрые частицы, движущиеся в середине трубы, действует большая центробежная сила, чем на менее быстрые частицы жидкости вблизи стенки. В результате жидкость в центральной части трубы движется к наружной образующей, а вблизи стенки ¾ вдоль нее по направлению к внутренней образующей. Таким образом, в трубе возникает вторичное течение в виде пары симметричных вихрей в поперечном сечении. В центре вихрей частицы совершают круговые движения, в остальной части траектории имеет вид двойной спирали. На рис. 2.13 и 2.14 представлены рассчитанные распределения скоростей при Re=2 10⁵; d/d_min = 24 (d ¾ диаметр трубы = 0,03 м; d ¾ диаметр спирали). Распределение относительной скорости осевого течения w*=w/w₀ ( где w ¾ локальная продольная скорость; w₀ ¾ продольная скорость на оси трубы) в спиральной трубе характеризуется тем, что максимум w* на кривой находится вблизи наружной образующей (см. рис. 2.13). Относительная скорость вторичных течений v*=v/v₀ (v ¾ локальная скорость вторичных течений, v₀ ¾ скорость вторичных течений на оси ) в ядре потока постоянная и основное изменение v* происходит вблизи стенки (см. рис. 2.14).

Рис.2.13. Распределение относительной скорости осевого течения при числе Re = 2·10⁵ и отношении диаметров навивки спирали и трубы, равном 24

Рис. 2.14. Распределение относительной скорости вторичных течений при числе Re = 2·10⁵ и отношении диаметров навивки спирали и трубы, равном 24

Теплоотдача при вынужденной конвекции однофазной среды

в спиральной трубе

Средняя теплоотдача при ламинарном течении в спиральной трубе рассчитывается по формуле (2.2)

где Re = wd_min/n; Nu=ad_min/ l; w ¾ осевая скорость; d ¾ диаметр трубы; a ¾ средний по периметру трубы коэффициент теплоотдачи; l ¾ коэффициент теплопроводности жидкости; n ¾ кинематический коэффициент вязкости; Pr ¾ числа Прандтля, определяемые при температуре жидкости и стенки.

Среднее число Нуссельта при турбулентном течении  для спиральных труб

где Nu₀ ¾ среднее число Нуссельта при течении в прямой трубе среды с числом Pr=0,7¾2 определяется уравнением

Значение функции f(d_min/d) определяется по данным опытов.

При турбулентном течении в спиральной трубе распределение коэффициента теплоотдачи по периметру существенно неоднородное. Неравномерность распределения коэффициента теплоотдачи по периметру трубы вызвана неоднородностью распределения скорости и температуры потока по его сечению. Кроме того, неоднородность распределения температуры стенки по периметру трубы может вызвать значительные перетоки тепла от внутренней образующей к наружной и привести к изменению теплоотдачи. На рис. 2.15 представлено распределение числа Нуссельта по периметру спиральной трубы (d/d_min = 16) c вертикальной осью навивки при Re=2·10⁴, рассчитанное при решении сопряженной задачи по методике МЭИ (линия 1) [2.7].

Как видно интенсивность теплоотдачи в окрестности наружной образующей (–45 < j < 45 ) примерно постоянная. По мере приближения к внутренней образующей теплоотдача уменьшается. Отношение коэффициентов теплоотдачи для наружной и внутренней образующей составляет около трех. Коэффициент теплоотдачи в окрестности внутренней образующей змеевика примерно совпадает с величиной  a  для прямой трубы (линия 2).