Аппаратов[27]

Вид местного сопротивления

м

Входная или выходная камера (удар и поворот) Поворот на 180 из одной секции в другую через промежуточную камеру То же через колено в секционных теплообменниках Вход в межтрубное пространство под углом 90 к рабочему потоку Поворот на 180 в U- образной трубке Переход из одной секции в другую (межтрубный поток) Поворот на 180 через перегородку в межтрубном пространстве Огибание перегородок поддерживающих трубы Выход из межтрубного пространства под углом 90к потоку

1,5 2,5 2,0 1,5 0,5 2,5 1,5 0,5 1,0

Формулы для расчета теплообмена и сопротивления эффективных поверхностей теплообмена

Для расчета теплообмена и сопротивления оребренных пучков труб и каналов можно воспользоваться формулами из табл. 1.1.

Для плоских каналов с прямыми прерывистыми ребрами (см. п. 2.1)

при Re =

- 20 -

200…1500

f = 7,661(l/d) ^{ 0,344} (h/b^{)  0,092} Re ^{ 0,712};

St Pr^2/3 = 0,483 (l/d) ^{ 0,162} (h/b^{)  0,184} Re ^{ 0,536}, (1.20)

где f –фактор трения; lиd–длина ребра в направлении потока и гидравлический диаметр межреберного канала;hиb– высота и ширина межреберного канала[27].

При Re =1500…8000

f = 1,136(l/d)^{ 0,781} (/b) ^0,534 Re ^{ 0,198};

St Pr^2/3 = 0,242 (l/d) ^{ 0,322} (/b) ^{ 0,089} Re ^{ 0,368}, (1.21)

где толщина ребра.

Для каналов с жалюзийным оребрением при Re = 300…12000, d/l =

= 0,153…0,646 и f / f = 0,15…0,27, где f  сечение канала, загроможденное ребрами и f – живое сечение канала [27],

Nu = 0,244 Re^0,674 (d/l)^0,245 (f/f)^0,54, (1.22)

если f / f = 0,27…0,65,

Nu = 0,147 Re^0,674 (d/l)^0,245 (f/f)^0,143; (1.23)

при Re = 300…1000,d/l = 0,153…0,646 иf/f = 0,15…0,65

4f = 6,96 Re ^{ 0,43} (d/l)^0,475 (f/f)^0,42 (F_р/F)^{ 1}; (1.24)

если Re = 1000…10000,

4f = 1,244 Re ^{ 0,25} (d/l)^0,475 (f/f)^0,42 (F_р/F)^2. (1.25)

Здесь F_риFплощадь поверхности ребер и общая площадь оребренной поверхности.

Более полная информация и рекомендации по расчету теплообмена и сопротивления в каналах эффективных поверхностей теплообмена приведены в [3, 5, 8,15, 22, 24, 36].

2

- 21 -

. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ПРОМЫШЛЕННЫХ АППАРАТАХ

2.1. Методы и способы интенсификации теплообмена

Одним из способов повышения эффективности работы рекуперативных теплообменников является увеличение коэффициента теплопередачи от греющего потока к нагреваемому.

Существуют разные способы интенсификации теплообмена в каналах теплообменных аппаратов, включая наложение на основной поток акустических колебаний, электростатических, электромагнитных и других внешних полей. Однако наиболее экономичными являются гидродинамические методы, рекомендованные в работах [1, 8, 15, 22].

Теплообмен можно интенсифицировать, установив перед входом в канал диафрагму, решетку или другое устройство, повышающее начальную турбулентность потока ₀. В основе механизма воздействия начальной турбулентности на теплообмен лежит явление, связанное с более ранней потерей устойчивости ламинарным пограничным слоем или подслоем и, как следствие,  смещением границы турбулентного режима в сторону более низких чисел Рейнольдса Re, рост коэффициентов теплоотдачи.

Изучением влияния степени турбулентности потока на теплообмен занимались различные исследователи. Так, в работе [11] при ₀  4% в диапазоне Re_d = 10⁴10⁵ для локального теплообмена в начальном участке трубы рекомендована зависимость

₀ = Nu/Nu_ = (1,35+0,04 ₀) / ((l/d)^0,17+ 0,06 ₀), (2.1)

где Nu_ асимптотическое значение числа Нуссельта приl.l/d = 1 +l_нт / d; l_нт–длина начального теплового участка.

Для средней теплоотдачи

₀ = Nu/Nu_ = (1,35+0,05 ₀) / ((L/d)^0,07+ 0,05 ₀), (2.2)

где Lдлина канала;d– его диаметр.

В работе [31] показано, что при ₀ = 0,64…47 % наблюдается интенсификация теплообмена в диапазоне Re_x = 10⁴...1,7 10⁵. Причем при естественной (₀ = 0,67 %) и более высоких степенях турбулентности в указанном диапазоне существуют области ламинарного, переходного и турбулентного пограничных слоев. С увеличением турбулентности граница начала турбулентного течения смещается в сторону меньших чисел Рейнольдса, и при

₀  0,22 переходная область полностью отсутствует. На основании проведенных исследований авторами сделаны следующие выводы:

- влияние начальной степени турбулентности проявляется преимущественно в области перехода от ламинарного к турбулентному течению;

- применять турбулизаторы перед входом в каналы при ламинарном течении нецелесообразно, так как любая наведенная турбулентность потока в этом случае быстро затухает и не может оказать заметного влияния на теплообмен и сопротивление;

- 22 -

- в режиме развитого турбулентного течения этот метод также нерационален, так как основное термическое сопротивление сосредоточено в пристенном слое, а не в ядре турбулентного потока, на турбулизацию которого в основном расходуется энергия; поэтому интенсификация теплообмена не превышает 15…20 %;

- при переходном и турбулентном течениях в коротких каналах начальная турбулентность оказывает влияние на средний теплообмен и сопротивление, если длина канала L не превышает величины 50 d, т.е. в пределах зоны влияния начального участка канала.

Аналогичные результаты получены в работе [22] при исследовании влияния начальной турбулентности на теплообмен в поперечно омываемом пучке труб (рис.2.1). Эти данные показывают, что средний коэффициент теплоотдачи пучка, отнесенный к коэффициенту теплоотдачи глубинного ряда, возрастает с увеличением числа рядов, если начальная степень турбулентности меньше предельной, генерируемой пучком вдали от входа. В противном случае, когда начальная степень турбулентности выше предельной, относительный коэффициент теплоотдачи убывает и достигает предела так же, как и в первом случае при количестве рядов труб z = 10.

0 2 4 6 8 10 z

П

- 23 -

ричина изменения/_ , где   средний коэффициент теплоотдачи всего пучка, заключается в отличие коэффициентов теплоотдачи первых трех рядов пучка ₁ и ₂ от _ [13]. Также известно, что уже в третьем ряду ₃  _, т.е. практически с третьего ряда течение и теплообмен являются стабилизированными, точнее квазистабилизированными. Более того, характер течения процесса в межтрубных каналах пучков также перестает изменяться после третьего ряда, а влиянием особенностей течения в первых рядах на гидравлическое сопротивление многорядного пучка можно пренебречь при

z

- 23 -

 10.

Анализ результатов многочисленных исследований показал, что при теплообмене в диффузорно-конфузорных, волнистых и многих других профилированных каналах и трубах наблюдается аналогичная картина, т.е. начальный участок профилированного канала примерно равен трем периодам его продольного профиля. А влиянием начального участка такого канала на средние коэффициенты теплоотдачи и сопротивления можно пренебречь при L / l₀  10 (где L  полная длина канала, а l₀  длина периода его продольного профиля).

Таким образом, независимо от типа каналов интенсификации теплообмена в них за счет турбулизации потока на входе можно добиться, если их протяженность не будет превышать величину, в пределах которой остается заметным влияние начального участка.

Другим хорошо известным способом интенсификации теплообмена является закрутка потока[22]. В этих случаях увеличивается скорость движения пристенных слоев жидкости и происходит перестройка всего профиля скорости. Как показали исследования, поле скоростей потока в трубах со шнековыми завихрителями имеет спиральный характер и соответствует квазитвердому вращению потока со скоростью V = 2 R u / H , наложенному на практически равномерное осевое течение (Н  полный шаг закручивателей, u  средняя осевая скорость потока, R  расстояние от оси трубы). В таких потоках возникают вторичные течения в форме сложной системы вихрей в результате взаимодействия закрученного потока со шнеком, а при взаимодействии вихрей с основным потоком происходит дополнительная его турбулизация. Согласно расчетам вихри в закрученном потоке играют существенную роль при относительно малых (Re = 10³...10⁴) числах Рейнольдса. Однако с дальнейшим увеличением скорости их влияние ослабевает, что объясняется более сильной турбулизацией потока. Это согласуется с известными данными, в соответствии с которыми при развитом турбулентном течении шнековые завихрители применять нецелесообразно, так как с увеличением интенсивности теплоотдачи на 15…20 % гидравлическое сопротивление возрастает в 2,5…3 раза [1].

Из-за плохого контакта с трубой шнековые завихрители слабо работают как ребра, т.е. не являются эффективным средством развития поверхности, а расход металла на них достаточно велик. Неэффективны они и в загрязненных потоках. По этой причине в последнее время большое внимание уделяется спиральным завихрителям из полосы металла (рис.2.2, а) или из проволоки [22]. Их использование оправдано с точки зрения снижения расхода металла и благодаря более заметной интенсификации теплообмена за счет совместного воздействия на поток его закрутки и срыва в окрестности вставки, прилегающей к поверхности трубы. При этом обеспечивается рациональное повышение турбулентности во внутренних слоях без закручивания и бесполезной турбулизации ядра потока. Исследования показали, что при преодолении равного с гладкой трубой гидравлического сопротивления теплосъем для лучших вариантов таких завихрителей увеличивается на 40 % (Re = 610³...510⁴). Такие вставки оказались эффективными и в условиях загрязненного потока.

- 24 -

Еще одним способом интенсификации теплообмена является применение искусственной шероховатости. Известно, что термическое сопротивление в движущемся потоке большей частью сосредоточено в пристенном слое [15,22]. Для числа Прандтля Pr = 0,72 (воздух) термическое сопротивление вязкого подслоя составляет 32,3 % общего сопротивления, на промежуточную область приходится 52 % и на турбулентное ядро всего 15,7 %. В случае Pr = 1 имеем соответственно 74,5, 5, 22 и 3,3 %. При Pr = 20 на подслой приходится 99 % общего термического сопротивления. Безразмерная толщина промежуточной области при Pr  1 равна 30/ (/8)^0,5. При Pr  1 основное термическое сопротивление сосредоточено в вязком подслое, поэтому эквивалентная ему относительная толщина равна (/8)^0,2 Re (  коэффициент гидравлического сопротивления канала). Применение искусственной шероховатости позволяет воздействовать именно на пристенные слои, существенно повышая интенсивность теплообмена. Так, по данным [10,22], применяя трубы с рифленой поверхностью (см. рис. 2.2, б), удается увеличить теплообмен в 1,5…3 раза. Искусственная шероховатость в трубах может осуществляться накаткой (например, трубы с поперечными или спиральными выступами или ребрами). Процесс изготовления таких труб механизирован. Элементы шероховатости обеспечивают отрыв, присоединение и дальнейшее развитие пограничного слоя. Наиболее рационально выполненные элементы шероховатости обеспечивают увеличение теплосъема (при равных с гладкой трубой гидравлических потерях) на 25 %, причем при меньшей длине шероховатой трубы.

- 25 -

Аналогичные результаты удается получить при использовании продольно-профилированных каналов типа «диффузор-конфузор» и волнистых каналов, образованных гофрированными пластинами (рис. 2.2, в, г). Увеличение теплоотдачи в таких каналах тоже объясняется, прежде всего, уменьшением толщины пристенного слоя. Кроме того, считают, что в них возникают поперечные градиенты давления, приводящие к непрерывному замещению пристенных слоев жидкости внешним потоком [16].

В трубах и каналах с искусственной шероховатостью течение жидкости в окрестностях элементов шероховатости в диапазоне скоростей, при которых наблюдается интенсификация теплообмена, носит преимущественно отрывной характер. Особенностью интенсификации теплообмена в диффузорно-конфузорных каналах, как считают авторы работы [16], является то, что она имеет место в условиях предотрывного течения. Возникающие в этих каналах продольные знакопеременные градиенты давления являются причиной того, что энергия турбулентности, накопленная потоком в диффузоре полезно используется в конфузорной части канала. Для предупреждения отрыва диффузорную часть стремятся сделать более короткой. Теплообмен в таких каналах интенсифицируется в 1,5…2 раза при соизмеримом и даже меньшем увеличении сопротивления по сравнению с гладкими трубами. Причем наибольшая интенсивность теплообмена, как утверждают авторы, наблюдалась именно при безотрывном течении.

Для объяснения эффекта увеличения теплоотдачи в продольно-профилированных трубах и каналах, в том числе с дискретной искусственной шероховатостью, можно воспользоваться обобщенной моделью, предложенной А.Л. Ефимовым. В соответствии с этой моделью переход к турбулентному течению в пределах начального участка гладкостенных труб и каналов может быть представлен схемой, приведенной на рис. 2.3. Асимптотические значения турбулентности потока вдали от входа _ не зависят от начальной степени турбулентности ₀ на входе в канал и определяются режимом течения. При установившемся турбулентном течении в трубах и каналах на оси _ = 4,5%. Поэтому, если турбулентность потока на входе в канал выше этого значения (₀ _), то вдоль начального участка уровень турбулентности потока снижается до _. Если ₀ _ , то имеет место увеличение турбулизации до _. Чем выше начальная степень турбулентности, тем раньше начинается переход к турбулентному течению (см. точки 1, 1, 1 на рис. 2.3. Кроме того, уменьшается протяженность начального участка (см. точки 2, 2, 2 на рис. 2.3).

- 26 -

₀

₀

₀

2

2

2

b

b

b

1

1

1

a

a

a

_

L_кр

L_кр

I

II

Рис. 2.3. Обобщенная схема модели перехода ламинарного течения