Выбор метода интенсификации теплоотдачи, страница 3

На рис.1.1 изображена зависимость отношения чисел  Nu/ Nu _¥  в выбранном сечении и на бесконечности от безразмерной длины поверхности x = l/d для нескольких чисел Pr. С ростом безразмерной длины поверхности отношение Nu / Nu _¥  убывает и стремится к единице. С увеличением числа  Pr  отношение Nu / Nu _¥  на начальном термическом участке уменьшается, и его длина становится меньше.

Рис. 1.1. Зависимость отношения чисел Nu в выбранном сечении и на бесконечности от безразмерной длины поверхности для различных чисел Pr

Выясним в каких зонах по сечению потока искусственное увеличение интенсивности турбулентности позволяет интенсифицировать теплоотдачу. Примем, что на стенке задана тепловая нагрузка   q_c, а коэффициенты переноса теплоты и импульса равны. Для коэффициента теплоотдачи можно записать следующее выражение:

где

Средняя по сечению трубы температура жидкости равна

Рассмотрим, как изменяется безразмерная температура жидкости

при изменении безразмерной координаты, направленной по радиусу трубы, при числе Re = 10 000 для различных чисел Pr ( рис. 1.2).

Рис. 1.2. Изменение безразмерной температуры жидкости от безразмерной координаты, направленной по радиусу трубы, при числе Re = 10 000 для различных чисел Pr

При больших числах Pr изменение температуры жидкости от ее значения на стенке до значения на оси почти полностью происходит в пристенной области. В ядре потока температурное поле практически однородно. Интенсивность передачи теплоты определяется термическим сопротивлением вязкого подслоя. Как видно на рис. 1.2, при больших значениях числа Pr турбулизировать следует, в основном, вязкий подслой и переходную область. При малых значениях числа  Pr (Pr  <<  1) основное изменение температуры происходит в ядре потока. В соответствии с этим термическое сопротивление ядра потока составляет основную часть общего термического сопротивления. Таким образом, при Pr << 1 турбулизировать необходимо и вязкий подслой, и ядро потока.

Эффективным способом интенсификации теплообмена в каналах с однофазным теплоносителем является искусственная  турбулизация потока путем создания отрывных зон.

Периодически расположенные на поверхности выступы плавной конфигурации приводят к возникновению вихрей, распространяющихся вдоль стенки и диффундирующих в ядро потока. В ряде случаев выгодно применять  спиральные или витые трубы. В криволинейных каналах под воздействием центробежных сил возникают винтообразные структуры, охватывающие все сечение канала. При крутых поворотах возникают отрывные зоны с двухмерными и трехмерными вихрями.

К выбору метода интенсификации теплоотдачи при кипении

Для повышения теплоотдачи при кипении необходимо уменьшить температурный напор начала кипения, увеличить плотность центров парообразования, обеспечить поступление жидкости к поверхности и удаление пара от нее.

Эффективным способом интенсификации теплообмена при кипении служит применение пористых покрытий. При пузырьковом кипении  пористые покрытия  позволяют  увеличить плотность центров парообразования. По мелким порам покрытия подтекает жидкость, по крупным порам выходит пар. При кипении в каналах необходимо выбирать покрытие с небольшой толщиной, чтобы рост гидравлического сопротивления был по возможности минимальным. При пленочном кипении эффективны покрытия с низким коэффициентом теплопроводности и поверхности с искусственной шероховатостью, приводящие к повышению тепловой нагрузки и температурного напора, при которых прекращается пленочное кипение.

К выбору метода интенсификации теплоотдачи при конденсации

Капельная конденсация обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи. Для получения процесса капельной конденсации необходимо  периодически подавать жидкий стимулятор либо использовать гидрофобную поверхность в виде твердого покрытия.

Интенсификация теплообмена при пленочной  конденсации обусловлена действием сил поверхностного натяжения на пленку конденсата. Этот эффект проявляется при конденсации на трубах с оребрением или канавками. В результате пленка конденсата стягивается в канавки, ее толщина на выступающих частях поверхности уменьшается и коэффициент теплоотдачи при конденсации увеличивается. Применение накатанных труб  интенсифицирует теплоотдачу как со стороны конденсирующегося пара, так и воды.

4. Технологичность метода интенсификации теплоотдачи

Под этим подразумеваются трудности, связанные с изготовлением поверхностей с интенсификаторами теплосъема, надежность и ресурс работы поверхностей теплообмена, влияние отложений на поверхности, экономический эффект, который достигается в случае применения данного метода.