Интенсификация теплоотдачи при течении однофазной среды, страница 9

Рис. 2.15. Распределение числа Нуссельта по периметру спиральной трубы при числе Re = 2·10 ⁴ и отношении диаметров навивки спирали и трубы, равном 16

Механизм интенсификации теплоотдачи в спиральной трубе

Анализ имеющихся представлений показывает, что интенсификация теплоотдачи вследствие закрутки потока в змеевике обусловлена следующим:

·  повышение градиентов скорости около стенки трубы;

·  в результате возникновения вторичных течений в центральной зоне потока собирается более горячий теплоноситель с меньшей плотностью. Этот эффект интенсифицирует теплоотдачу при нагреве теплоносителя и ухудшает ее при охлаждении;

·  под воздействием центробежных сил в криволинейных каналах возникают и развиваются вихревые структуры, зоны с двумерными и трехмерными вихрями с противоположным направлением вращения. Это приводит к дополнительной турбулизации всего потока, росту теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Наличие в потоке макровихрей, охватывающих все течение, приводит к существенной неравномерности распределения теплоотдачи по периметру канала.

Интенсификация теплообмена в витых трубах с накаткой

Метод интенсификации теплообмена в витых трубах разработал Б.В. Дзюбенко [2.9]. Для усиления эффекта интенсификации теплообмена предложено использовать витые трубы трехлопастного профиля, имеющие большую жесткость (рис. 2.16). Витая труба трехлопастного профиля может рассматриваться как круглая труба с трехходовой винтовой накаткой. При этом выступы внутри трубы наряду с закруткой дополнительно турбулизируют поток за счет вихреобразования в тонком пристенном слое. По существу, в витой трубе сочетаются преимущества двух методов интенсификации теплообмена, а именно закрутки потока и накатки.

Рис. 2.16. Труба с трехходовой винтовой накаткой

При течении в витых трубах с интенсификаторами теплосъема  коэффициент гидравлического сопротивления растет за счет образования в пристенном слое периодических областей отрывного течения. Уменьшение коэффициента гидравлического сопротивления в витых трубах по сравнению с круглыми (как гладких, так и с интенсификаторами теплосъема) при Re > 5000 связано с тем, что на выпуклых и вогнутых частях профиля витой трубы возникают области с повышенной и пониженной скоростью.

Теплогидравлическую эффективность поверхностей с интенсификаторами теплосъема можно оценить, рассмотрев соотношения между ростом теплоотдачи и коэффициента гидравлического сопротивления (рис. 2.17). При течении воды внутри гладкой витой трубы (l / d = 6,2) (линия 1 на рис. 2.17) неравенство (2.8) выполняется во всем отмеченном диапазоне чисел Re. При этом отношение чисел Нуссельта растет с уменьшением числа Re. Витая труба с винтовой накаткой (линия 2) позволяет интенсифицировать теплообмен по сравнению с гладкой витой трубой примерно в 1,9 раза при Re = 10 000. Однако с уменьшением числа Re этот эффект ослабляется, причем неравенство (2.8) для этой трубы выполняется только при числах Re > 3000. Витая труба с кольцевой накаткой (линия 3) позволяет увеличить интенсивность теплообмена в 2,2 раза по сравнению с гладкой витой трубой, но вследствие роста гидравлического сопротивления с уменьшением числа Re неравенство (2.8) выполняется только при Re > 4500. Труба с винтовой накаткой (трехлопастная витая труба) (линия 5) благодаря движению потока в пристенном слое по винтовым траекториям имеет меньшее гидравлическое сопротивление, чем труба с кольцевой накаткой (линия 6). При этом неравенство (2.8) выполняется во всем отмеченном диапазоне чисел Re. Для круглой трубы с кольцевой накаткой неравенство (2.8) выполняется только при Re > 4500. Для этой трубы получен наибольший рост теплоотдачи при Re = 10 000 (отношение чисел Нуссельта равно 3) при отношении коэффициентов гидравлического сопротивления 2.65.