Выбор метода интенсификации теплоотдачи

ВВЕДЕНИЕ

Проблема рационального использования топливно-энергетических ресурсов является одной из важнейших. С ростом энергетических мощностей и объема производства увеличиваются габариты теплообменных аппаратов. Повысить отводимый тепловой поток от поверхности можно, увеличив расход, давление и недогрев теплоносителя в системе. Более предпочтительным считается интенсификация теплосъема, позволяющая  создать эффективные и компактные теплообменники и обеспечивающая экономию топлива, материалов и затрат труда.

Актуальность интенсификации теплообмена в элементах техники обусловлена необходимостью решения следующих задач:

·  увеличение отводимых тепловых нагрузок при заданных давлениях и массовых скоростях теплоносителя. Это важно для элементов ядерных и термоядерных установок, зеркал  лазеров, мощных электронных ламп, котлов ТЭС;

·  уменьшение размеров теплоотдающей поверхности, что необходимо при разработке компактных теплообменников, парогенераторов, испарителей ТЭС и АЭС;

·  экономия дорогостоящих материалов в установках для получения этилена, пропилена, в конденсаторах, кондиционерах;

·  уменьшение мощности на прокачку теплоносителя по контуру;

·  повышение надежности поверхности нагрева;

·  уменьшение времени охлаждения элементов различных устройств:  камер сгорания двигателей, криогенных магистралей и др.;

·  уменьшение отложений на парогенерирующих поверхностях;

·  повышение производительности испарителей ТЭС и уменьшение солесодержания сбросных вод.

В настоящее время для интенсификации теплоотдачи в одно- и двухфазных средах применяются различные методы. Имеющиеся материалы представлены, в основном, в статьях, монографиях, учебные пособия по этой тематике практически отсутствуют.

В предлагаемом издании рассмотрены методы интенсификации теплоотдачи при течении однофазных сред, кипении и конденсации, обсуждаются параметры, характеризующие эффективность их применения.

Особое внимание уделяется вопросам интенсификации теплоотдачи при кипении в условиях свободной и вынужденной конвекции с использованием пористых покрытий. Подробно рассмотрены методы интенсификации теплообмена в случае неоднородных по поверхности тепловых нагрузок.

При обсуждении каждого метода изложены представления о механизме интенсификации переноса теплоты и приведены рекомендации по расчету теплоотдачи.

За годы, прошедшие после первого издания пособие переработано и дополнено. В частности, включены разделы, посвященные улучшению характеристик теплосъема при кризисе теплообмена в прямых и спиральных трубах,  при низких массовых скоростях и давлениях; применению интенсификаторов теплосъема для уменьшения отложений на поверхностях нагрева; интенсификации теплообмена при конденсации; практическому использованию методов интенсификации теплообмена.

Основу пособия составляют материалы, полученные автором совместно с коллегами, а также имеющиеся в отечественной и зарубежной литературе, зачастую малодоступные, но полезные студентам, аспирантам и специалистам при разработке элементов и устройств современной техники.

1. ВЫБОР МЕТОДА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООТДАЧИ

1.1.  ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕТОДАХ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

 ТЕПЛООТДАЧИ

Интенсификация теплообмена в однофазных средах

Наиболее распространенный метод интенсификации теплообмена в каналах с однофазным теплоносителем ¾ искусственная турбулизация потока, осуществляемая с помощью кольцевых или спиральных канавок, оребрения поверхности, спиральных или витых труб, шнеков, закрученных лент [1.1¾1.5].

Для интенсификации теплообмена широко используется  струйное натекание теплоносителя на поверхность [1.6]. Метод основан на проявлении эффекта начального термического участка и турбулизации потока. При этом методе возникает неоднородное распределение коэффициента теплоотдачи по поверхности.

На эффективность теплообмена при течении однофазных сред оказывают влияние колебания расхода, и при резонансе с собственными колебаниями контура коэффициент теплоотдачи увеличивается [1.7].

Теплоотдачу можно повысить за счет вращения и вибрации поверхности, а также вибрации теплопередающей среды [1.4]. Влияние вибрации среды проявляется в том, что турбулентное течение наступает при меньших числах Рейнольдса. В  газах даже в случае высокой интенсивности звуковых колебаний коэффициент теплоотдачи возрастает незначительно. При воздействии ультразвуковых колебаний коэффициент теплоотдачи к  воде повышается в несколько раз.

На теплоотдачу оказывает влияние электрическое поле [1.8].

В случае наложения электрического поля при ламинарном течении трансформаторного масла в трубе коэффициент теплоотдачи повышается примерно в два раза. Механизм воздействия электрического поля на теплоотдачу ¾ усиление перемешивания пристенного слоя.