ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

5.3.1. Общие прирнципы интенсификации теплоотдачи.

При создании теплоэнергетических установок постоянно стоит вопрос о необходимости снижении их массы и габаритов. Это может быть достигнуто в частности за счет интенсификации прочесов теплопередачи, что в свою очередь ведет к уменьшению требуемых теплопедающих поверхностей.

Термическое сопротивление теплопередающей стенки в принципе можно уменьшить путем уменьшения толщины стенки и увеличения коэффициента теплопроводности материала (при условии сохранения требуемой прочности).

Задача интенсификации процессов теплоотдачи на обеих сторонах теплопередающей стенки является более сложной. Требуется всестороннее рассмотрение вопроса, с целью правильного выбора возможных путей в этом направлении.

в самом общем случае по разные стороны теплопередающей стенки находятся разные теплоносители. Для примера укажем, что с точки зрения теплоотдачи, и воздух более худший теплоноситель, чем масло, а оно – хуже, чем вода. Поэтому в первую очередь следует определиться с вопросом, теплоотдачу какого теплоносителя следует интенсифицировать. рассмотрим формулу коэффициента теплопередачи через плоскую стенку. Если термическим сопротивлением стенки пренебречь, т. е. положить , то формула (5-3) принимает вид:

Отсюда следует, что коэффициент теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффициентов теплоотдачи. Следовательно, рассматривать вопрос интенсификации следует в отношении теплоносителя с минимальным и, чем больше разница между и , тем более актуален этот вопрос.

Ранее было показано, что при обтекании однофазного потока твердой теплопередающей непроницаемой стенки образуется пограничный слой, являющийся основным сопротивлением теплопередачи. Очевидно, чем больше толщина пограничного слоя тем меньше теплоотдача. Поэтому для интенсификации теплообмена необходимо так воздействовать на пограничный слой, чтобы сделать его возможно более тонким или разрушить вообще. Следует отметить, что пограничный слой имеет свойство восстанавливаться после прекращения действия разрушающего воздействия.

Вывод о целесообразности применения того или иного метода интенсификации для конкретных условий можно получить, сопоставляя различные теплообменники по одному из существующих методов [61, например, по критерию академика Кирпичева, представляющему собой отношение теплоты, переданной через данную поверхность, к энергии, затраченной на преодоление сопротивления движению теплоносителя

Дадим краткую характеристику основным способам интенсификации теплоотдачи. Отметим, что приведенные ниже экспериментальные результаты носят иллюстративный характер. При решении практических задач каждый способ и имеющиеся для него расчетные зависимости должны быть тщательно проанализированы на предмет возможности применения для конкретной теплообменной системы.

5.3.2. основные методы интенсификации теплоотдачи.

Гидродинамическое воздействие. Уменьшения толщины пограничного слоя можно достигнуть увеличением скорости теплоносителя, обтекающего поверхность. Это наиболее простой способ интенсификации теплообмена.

Рассмотрим вопрос на примере труб. Движение теплоносителя в трубе может быть ламинарным при < 2000 , турбулентным . В промежутке имеется переходная область. В соответствующих уравнениях подобия (2-16) и (2-17) число нуссельта пропорционально числу в степени 0,4 и 0,8. Если изобразить это графически в логарифмических координатах (Рис. 5.8), то тангенс угла наклона соответствующих линий равен показателю степени при . Практически это означает, что чем больше этот угол, тем больше темп увеличения теплоотдачи вследствие увеличения скорости. Из представленного рисунка видно, что наибольший эффект интенсификация достигается в переходной зоне. Это объясняется тем, что возникающие в потоке турбулентные пульсации нарастают и все ближе проникают к стенке, существенно улучшая теплоотдачу.

В энергетических установках в большинстве случав в трубах обеспечивается развитый турбулентный режим течения теплоносителей.

Рис.5.8 …подправить

Рис. 5.9…переделать

Рассматривая данный способ необходимо сопоставлять рост теплоотдачи и гидравлического сопротивления при увеличении скорости потока. С учетом зависимостей (2-16) и (2-17) можно записать, что при ламинарном режиме , а при турбулентном . Из гидромеханики хорошо известно, что при турбулентном режиме гидравлическое сопротивление (Рис. 5.9…). Практически это означает, что увеличение скорости в два раза приведет к росту теплоотдачи в 1,7 раза, а гидравлического сопротивления - в 4 раза. Это в принципе ведет к тому, что собственно теплообменное оборудование становится более компактным, а прокачивающее оборудование увеличивается по размерам и затратам мощности, причем существенно опережающими темпами.

изменение эквивалентного гидравлического диаметра канала.В случае движения теплоносителя с постоянной скоростью в канале на теплоотдачу оказывают влияние размеры канала. Покажем это. С учетом уравнений подобия (2-16) и (2-17) можно записать

,

где n – показатель степени при числе Re_dж. Тогда для ламинарного режима при n=0,4имеем α ~1/(d_эк^0,6), а для турбулентного при n=0,8имеем α ~1/(d_эк^0,2). Таким образом, уменьшение d_эк при неизменной скорости потока приводит к увеличению теплоотдачи.

Данный способ широко используется в теплообменном оборудовании. Однако допустимое уменьшение d_эк ограничивается технологическими возможностями изготовления канала, большей вероятностью его засорения и сложностью очистки.

Создание шероховатых поверхностей.Говоря о шероховатости условно можно выделить «песочную» шероховатость (множественные сравнительно мелкие выступы) и периодически расположенную по поверхности шероховатость в виде выступов (Рис. 5.10 ). Как известно из гидромеханики, например при движении жидкости в трубе может иметь место режим гидравлически гладкой поверхности. При этом элементы шероховатости находятся внутри устойчивого ламинарного слоя, и возмущения, создаваемые элементами шероховатости, практически мгновенно затухают. Если же обеспечивается режим гидравлически шероховатой поверхности, то выступы создают за собой завихрения (Рис. 5.11), которые частично размывают и тем самым утончают погранслой. Естественно это ведет к увеличению теплоотдачи (Рис. 5.12 и 5.13).

Рис. 5.11 . Течение потока за турбулизирующим выступом

Наблюдается существенное влияние на интенсификацию теплоотдачи вида и размеров элементов шероховатости, режима течения теплоносителя и т.д. Эти вопросы являются предметом многочисленных исследований. В качестве примера на рис. … показано влияние высоты прямоугольного выступа.

Использование данного способа интенсификации связано с ростом гидравлического сопротивления при обтекании поверхности, трудоемкости изготовления (стоимости), а также массы теплообменного оборудования. Кроме того, такие поверхности сильнее загрязняются, что создает дополнительное термическое сопротивление, и труднее очищаются.

Закручивание и турбулизация потока вставками. В энергетических установках широко используются прямые трубные теплообменные поверхности. Поэтому следует отдельно остановиться на интенсификации теплоотдачи внутри таких труб. Одним из путей решения этой задачи является использование закрутки и турбулизации потоков, посредством различного рода вставок - спиралей, диафрагм, дисков (Рис. 5.14). Вставки закручивают, либо турбулизируют поток (Рис. 5.15), что оказывает воздействие на пограничный слой и, таким образом, интенсифицируется теплоотдачу.

к рис 96 как вариант

В качестве примера на рис. 5.16 представлены результаты по теплоотдаче при движении масла в гладкой трубе и в случае закрученного потока. В опытах применялись ленточные спиральные турбулизаторы с отношением шага к внутреннему диаметру трубы 2,5, 6,55 и 8,75. Скорость масла изменялась от 0,4 до 1,5 м/сек. наглядно видно, что такие турбулизаторы вызывают значительное увеличение коэффициента теплоотдачи. Кроме того выявлено, что чем меньше коэффициент теплопроводности жидкости, тем сильнее эффект интенсификации.

Использование диафрагм также позволяет существенно увеличить теплоотдачу. На рис. 5.17 показаны значения α в случае гладкой трубы и в случае наличия диафрагм. Были исследованы трубы с отношением диметра отверстия в диафрагме к диаметру трубы 0,35 и 0,8, а также с расстояние между диафрагмами l = 1,2d, 4d и 8d.

Следует отметить, что целесообразность использования указанных способов должна быть обоснована, поскольку при этом возрастают: гидравлическое сопротивление (требуемая мощность и габариты насоса), трудоемкость изготовления (стоимость), а также масса теплообменного оборудования.

Интенсификация теплоотдачи в соответствии с открытием № 242.Рассмотренные выше способы интенсификации теплоотдачи предусматривали дополнительную турбулизацию потока, которая воздействовала на пристенный пограничный слой с наружной стороны. Как отмечалось выше, при этом существенно возрастает гидравлическое сопротивление.

В 1981 году группой советских ученых в составе Э.К. Калинина, Г.А. Дрейцера и др. было сделано открытие в области теплообмена, зарегистрированное под номером 242. Ими было предложено на внутренних стенках труб делать повторяющиеся небольшие по высоте (примерно 1-2% от радиуса трубы) сравнительно плавные выступы (Рис. 5.18), технологически образованные за счет накатки с наружной поверхности труб.

Рис.5.18

Размеры выступов соизмеримы с толщиной пристенного пограничного слоя. Механизм их воздействия упрощенно можно представить следующим образом. Выступы как бы подрезают погранслой и отводят его от стенки в основной поток. За выступом образуется оголенный участок, на котором теплоотдача резко возрастает. По мере восстановления погранслоя он опять натекает на очередной выступ и картина повторяется.

Важной особенностью процесса является то, что вихреобразование от такого выступа минимально, что не ведет к существенному росту гидравлического сопротивления. Так, например, при использовании данного метода можно достичь двукратного увеличения теплоотдачи при незначительном (примерно 15%) росте гидравлического сопротивления. Точные размеры выступов и шаг их установки определяются специальными расчетами с учетом вида теплоносителя и параметров его движения.

Вращение цилиндров.При вращении цилиндра в неограниченном объеме вследствие наличия вязкости частицы жидкости вовлекаются в круговое движение по круговым траекториям (рис. 5.19). Частицы, находящиеся непосредственно на поверхности цилиндра, движутся со скоростью его контура w_ц. по мере удаления от поверхности цилиндра скорость убывает, а на достаточном расстоянии от оси цилиндра движение отсутствует. Таким образом, у вращающегося цилиндра образуется циркуляционное движение.

При описании процесса используется число Рейнольдса

,

где: w_ц – скорость на наружной поверхности цилиндра;

d – диаметр цилиндра.

Рис. 5.19

При небольших частотах вращения ( < 8∙10³) увеличения теплоотдачи практически не наблюдается – она соответствует теплоотдаче цилиндра при свободной конвекции (рис. 5.20). При дальнейшем увеличении в диапазоне примерно от 8∙10³ до 1∙10³ теплоотдача уменьшается примерно на 10%. При значениях критерия Рейнольдса более 1∙10⁴ теплоотдача увеличивается. При этом теплоотдача практически соответствует теплоотдаче для случая поперечного обтекания потоком одиночного цилиндра.

рис. 18 из Бузника изменить     Здесь рис 5.20

Вибрация поверхностей.при колебании тел наличие трения вызывает появление не только пограничного слоя, но и добавочного (вторичного течения на большом расстоянии от тела), притом такого, которое не зависит от вязкости. Это вторичное течение направлено с каждой стороны колеблющегося тела в том направлении, в котором амплитуда потенциального периодического движения убывает. Следовательно, вокруг колеблющегося тела возникают своеобразные вторичные течения (Рис. 5.21), захватывающие всю жидкость и имеющие установившийся характер.

(Рис.5.21),

Для характеристики процесса используют вибрационное число Рейнольдса

, при

где: f - частота колебаний;

А - амплитуда колебаний.

при небольших значениях Re_B теплоотдача остается практически такой же, как в случае теплоотдачи цилиндра при свободной конвекции (Рис. 5.22). При значениях Re_B более 7∙10³ вибрация существенно улучшает теплоотдачу. Так при Re_B = 1∙10⁴ достигнуто четырехкратное увеличение.

звуковые колебания теплоносителя. вокруг цилиндра, находящегося в стоячей акустической волне, возникают вторичные течения (Рис. 5.23). При этом толщина пристенного ламинарного пограничного уменьшается, вследствие чего интенсифицируется теплоотдача. При частотах колебаний порядка 10 - 70 Гц теплоотдача увеличивается в два-три раза.

газожидкостные струи.Данный метод эффективен при интенсификации теплоотдачи при свободной конвекции жидкости. Суть метода состоит в том, что ниже теплоотдающей поверхности размещается источник газа. Поднимающиеся вверх пузыри инициируют движение жидкости и создают, тем самым, газожидкостную струю. На рис. 5.24 показан характер течения таких струй в случаях одиночной вертикальной пластины, расположенной в неограниченном объеме, и в случае двух параллельных пластин.

Рис. 5.24 Газожидкостные струи у одиночной пластины и в зазоре между параллельными пластинами [ Фед ].

Важной особенностью процесса является характер движения всплывающих пузырей. Одиночный пузырь всплывает по спиралевидной траектории, как показано на рис. 5.25. При этом он периодически ударяется о теплоотдающую поверхность. Газожидкостная струя состоит из множества всплывающих подобным образом пузырей. В результате таких многочисленных ударов пузырей о поверхность разрушается пристенный пограничный слой, а сам поток интенсивно турбулизируется. Это существенно интенсифицирует теплоотдачу. Как видно из рис. 5.26. при малых температурных напорах t_с - t_ж = (2-4)^оС увеличение коэффициента теплоотдачи по сравнению со случаем свободной конвекции достигает 20-30 раз.. По мере увеличения температурного напора эффект уменьшается и при t_с - t_ж >16^оС стабилизируется, достигая 5-9 раз. Следует отметить, что требуемый при этом расход воздуха весьма мал

а) б)

Рис. 5.25 Траектория движения всплывающего газового пузыря (а) и визуализация ударов пузыря о поверхность теплоотдающей плиты (б).

Рис. 5.26 Зависимость относительного увеличения коэффициента теплоотдачи α_возд/α от температурного напора t_с - t_ж при различных расходах подаваемого воздуха.

При реализации данного метода используемый газ естественно не должен химически взаимодействовать с жидкостью. Кроме того, если количество подаваемого газа будет больше некоторого критического значения, то можно получить отрицательный эффект, связанный с замещение жидкости газом и соответствующим резким ухудшение теплоотдачи. Необходимые для реализации данного метода расчетные зависимости представлены в [ фед].

Оребрение поверхностей.Применением оребрения увеличивают поверхность (со стороны теплоносителя, имеющего низкие значения коэффициента теплоотдачи и, таким образом, добиваются повышения теплосъема с теплообменной поверхности. Строго говоря, оребрение не является средством интенсификации теплообмена, так как рост теплоотдачи достигается, главным образом, путем увеличения поверхности.

В случае оребрения поверхности максимальная температура ребраобеспечивается в корне ребра t_р = t_c (Рис. 5.27). По мере удаления от корня, температура ребра уменьшается, что снижает отводимый тепловой поток. Тепловая эффективность ребра может быть оценена с использованием безразмерного показателя

,

где - тепловой поток, который в действительности отводится через ребро

- тепловой поток, который мог быть отведен через ребро в случае, если бы по всей длине ребра обеспечивалось t_р = t_c .

Из рис. 5.27 видно, что значение η по мере удаления от корня ребра довольно интенсивно снижается, что говорит о нецелесообразности длинных ребер. Эффект снижается, а затраты, масса и габариты увеличиваются. Поэтому существуют специальные методики, позволяющие с учетом ряда параметров определить оптимальные размеры ребра.

Рис. 5.27 Характер изменения температуры t_р и тепловой эффективности η по длине ребра.

Оребрение позволяет получить компактную поверхность теплообмена при работе в области умеренных скоростей движения теплоносителя. С ростом скорости тепловая эффективность оребренной поверхности уменьшается, гидравлическое сопротивление растет и применение оребрения становится нерациональным. Оребренные поверхности надежно работают в области умеренных температур.