Интенсификация теплообмена при конденсации на микро- и наномасштабах, страница 6

В витой трубе за счет возникновения вторичного течения увеличивается область, занимаемая ядром потока, и уменьшается толщина пограничного слоя, в результате чего повышается коэффициент теплоотдачи. В результате анализа экспериментальных данных, установлено, что отношение Nu/Nu_КР слабо зависит от числа Re при 2300 £Re < 10⁵ и безразмерного шага закрутки при S/D = 6,2 – 12,2, т.е. »idem=g. Для оценки этой величиные проведена обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов по зависимости: Nu=γRe^0,8Pr^0,4. В результате расчета получено γ = 0,0276. Среднеквадратичное отклонение результатов расчета по зависимости Nu = 0,0276 Re^0,8Pr^0,4 от экспериментальных данных составило 9%.Тогда Nu/Nu_КР = 0,0276/0,023 ≈ 1,2, т.е. витая труба приводит к росту коэффициента теплоотдачи приблизительно на 20% при течении внутри трубы. На рис. 11310 эта зависимость представлена наряду с соотношением Б.В. Дзюбенко Nu=0,072Re^0,76Pr^0,4(d_э/d)^0,16 для S/D=8,0.

Увеличение коэффициента теплоотдачи  в пучке витых труб более существенное и происходит за счет дополнительной турбулизации и закрутки потока, а также обменных процессов между пристенной областью и ядром потока за счёт наличия радиальной составляющей скорости. В частности, при Re=10⁴ и Fr=63,5  отношение Nu/Nu_КР в пучке труб составляет 2,11, а при Re=10⁵ – 2,60.  Зависимость Nu/Nu_КР от Reдля Fr=63,5 представлена на рис. 1141.

Увеличение коэффициента теплоотдачи внутри трубы с кольцевой накаткой происходит за счет турбулизации потока в пристенной области. При продольном обтекании пучка труб с кольцевой накаткой зависимость теплоотдачи от числа Рейнольдса такая же, как при течении внутри трубы. С ростом числа Re сначала становится выше сопротивление пучков накатанных труб по сравнению с гладкотрубными, а затем теплоотдача. При Re=Re₁ отношение Nu/Nu_КР начинает возрастать. Витая труба значительно интенсифицирует теплоотдачу в межтрубном пространстве, но слабо влияет на теплообмен при течении внутри трубы. Для кольцевой накатки все наоборот. Следовательно, разумно комбинировать эти два метода интенсификации теплообмена.

Рис. 1130. Зависимость Nu/Nu_КР от Re при течении внутри трубы для: 1 – накатанной трубы с d/d_вн = 0,94, t/d_вн = 0,50; 2 – накатанной трубы с d/d_вн = 0,92, t/d_вн = 0,52; 3 – накатанной трубы с d/d_вн = 0,91, t/d_вн = 1,00; 4 – витой трубы с S/D=8,0 (формула Б.В. Дзюбенко); 5 – Nu_В/Nu_КР = 0,0276/0,023 ≈ 1,2

Рис. 1141. Зависимость  Nu/Nu_КР от Re при течении в пучке труб для: 1 – накатанной трубы с h/d_Э∞=0,06, t/d_Э∞= 0,49; 2 – накатанной трубы с h/d_Э∞=0,08, t/d_Э∞= 0,51; 3 – накатанной трубы с h/d_Э∞=0,09, t/d_Э∞= 0,97; 4 – пучка витых труб                                                                                                                                                                                     сFr=63,5

На рис. 1125, 1136 представлены результаты расчета  коэффициента теплопередачи и потерь давления  для рассмотренных теплообменников в виде

Рис. 1152. Зависимость отношения k/k₀ для: 1 – пучка витых труб; 2 – аппарата с перегородками; 3 – пучка накатанных труб с  d/d_вн=0,94, t/d_вн = 0,50;  4 – пучка накатанных труб с d/d_вн = 0,92, t/d_вн = 0,52; 5 – пучка накатанных труб с d/d_вн = 0,91, t/d_вн = 1,00

зависимости отношения k/k₀, Δр_т/Δр₀ от расхода теплоносителя, где k₀, Δр₀ – характеристики аппарата с гладкими круглыми трубами без перегородок. В расчете  предполагалось, что расходы в трубном и межтрубном пространствах каждого из аппаратов равны.

Рис. 1163. Зависимость отношения Δр/Δр₀ для: 1 – пучка витых труб; 2 – аппарата с перегородками; 3 – пучка накатанных труб с  d/d_вн=0,94, t/d_вн = 0,50; 4 – пучка накатанных труб с d/d_вн= 0,92, t/d_вн = 0,52; 5 – пучка накатанных труб с d/d_вн = 0,91, t/d_вн = 1,00

Как видно, более теплогидравлически эффективным является аппарат с витыми трубами, т.к. он имеет самый большой коэффициент теплопередачи во всем рассматриваемом диапазоне чисел Re, потери давления в межтрубном пространстве для него в среднем в два раза меньше, чем для аппарата с перегородками, и на 10% больше, чем Δр0_м, как и для аппарата с накатанными трубами, однако потери давления в витых трубах в 3–4 раза меньше, чем в накатанных. Изготовление и эксплуатация аппарата с витыми трубами более трудоемкая, чем двух других аппаратов.