СОДЕРЖАНИЕ
Условные обозначения............................................5
Введение........................................................7
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТЯХ С ВЫСТУПАМИ И ВЫЕМКАМИ
РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ.................................................14
1.1. Сравнительный анализ теплогидравлической эффективности каналов с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи различной формы.................................................14
1.2. Особенности гидродинамики и теплообмена на поверхностях со сферическими выемками.......................................17
1.3. Особенности гидродинамики и теплообмена на поверхностях с цилиндрическими выемками....................................33
1.4. Особенности гидродинамики и теплообмена на поверхностях с траншейными выемками........................................39
1.5. Исследование гидродинамики и теплообмена на поверхностях с выемками прочих форм........................................53
1.6. Постановка цели и задач исследования.......................55
ГЛАВА 2. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОВЕДЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................57
2.1. Экспериментальная установка для визуализации течения жидкости....................................................57
2.1.1. Описание экспериментального стенда.......................57
2.1.2. Методика визуализации течения............................60
2.1.3. Методика обработки результатов экспериментов по визуализации течения............................................61
2.2. Экспериментальная установка для визуализации течения, тепловизионного исследования, исследования гидродинамики и теплоотдачи.....................................................61
2.2.1. Описание экспериментального стенда.......................61
2.2.2. Методика визуализации течения в каналах с интенсифицированными поверхностями.................................65
2.2.3. Методика тепловизионного исследования интенсифицированных поверхностей.......................................66
2
2.2.4. Методика проведения экспериментов по исследованию теплоотдачи пластины..........................................68
2.2.5. Методика обработки результатов измерений....................70
2.2.6. Оценка погрешности результатов экспериментов................71
2.3. Экспериментальный стенд для исследования структуры течения
и гидродинамики канала с поверхностными интенсификаторами 73
2.3.1. Описание экспериментального стенда..........................73
2.3.2. Методика экспериментального исследования структуры течения и гидродинамики канала с поверхностными интенсификаторами .....................................................77
2.3.3. Методика обработки экспериментальных данных.................78
2.3.4. Оценка точности эксперимента................................80
2.4. Анализ результатов тестовых опытов............................80
2.4.1. Тестовые опыты по тепловизионным исследованиям теплоотдачи на гладкой пластине....................................80
2.4.2. Тестовые опыты по гидросопротивленню и теплоотдаче..........83
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ ОБТЕКАНИЯ ВЫЕМОК РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ.......................................88
3.1. Результаты визуализации обтекания одиночных и систем сферических выемок............................................88
3.1.1. Ламинарное безотрывное обтекание............................89
3.1.2. Ламинарное обтекание выемки с присоединением потока.........89
3.1.3. Ламинарное течение без присоединения в выемке...............92
3.1.4. Турбулентное обтекание выемки...............................95
3.1.5. Численное моделирование течения в канале со сферическими выемками.....................................................103
3.2. Результаты визуализации обтекания цилиндрических выемок 112
3.2.1. Ламинарное безотрывное обтекание............................112
3.2.2. Ламинарное обтекание выемки с присоединением потока.........114
3.2.3. Ламинарное обтекание выемки без присоединения потока........116
3.2.4. Турбулентное обтекание выемки без присоединения потока 119
3.3. Результаты визуализации обтекания траншейных выемок..........124
3.3.1. Эволюция обтекания траншейных выемок относительной
глубины Б/сИ), 1-0,5 при угле натекания <р=90 °.............124
3
3.3.2. Эволюция обтекания траншейных выемок относительной
глубины h/d=0,1-0,5 при угле натекания <р=67,5 °..............132
3.3.3. Эволюция обтекания траншейных выемок относительной
глубины h/d=0,1-0,5 при угле натекания ср=45 °................136
3.4. Карты режимов обтекания выемок различной формы в каналах.......138
3.5. Физическая модель обтекания выемок различной формы.............145
3.5.1. Ламинарное обтекание выемки с присоединением потока..........146
3.5.2. Ламинарное течение без присоединения в выемке................148
3.5.3. Турбулентное обтекание выемки................................149
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОСОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ.......................151
4.1. Исследование локальной теплоотдачи в окрестности сферических выемок...................................................151
4.2. Гидросопротивление и теплоотдача в каналах с цилиндрическими выемками 159
4.2.1. Гидросопротивление в каналах с цилиндрическими выемками 159
4.2.2. Теплоотдача в каналах с цилиндрическими выемками.............165
4.2.3. Теплогидравлическая эффективность в каналах с цилиндрическими выемками и рекомендации по практическому
использованию.................................................171
4.3. Результаты тепловизионного исследования локальной теплоотдачи в окрестности траншейных выемок.....................176
Заключение..........................................................179
Список литературы...................................................180
Приложения..........................................................191
4
Условные обозначения
Латинские:
В - барометрическое давление, Па Ь - ширина, м
ср - изобарная теплоемкость
Э - эквивалентный диаметр канала, м
сі - диаметр отпечатка выемки (выступа), м
Е'- коэффициент теплоэнергетической эффективности
Р - площадь поверхности, м2 f - функция
Г - плотность расположения выемок, %
- массовый расход теплоносителя, кг/с Н - высота канала, м Ь - глубина выемки (высота выступа), м Ь - длина канала, м 1 - длина выемки, м
N - мощность прокачивания теплоносителя, Вт р - давление, Па
0 - тепловой поток, тепловая мощность, Вт ц - удельный тепловой поток, Вт/м2
Я=287 Дж/(кг К) - газовая постоянная воздуха б - шаг расположения интенсификаторов, м Т - температура, К ї - температура, °С
1 - шаг между выступами, м
и - напряжение электрического тока, В \у - скорость, м/с х - продольная координата, м Г реческие:
а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К)
8 - толщина пограничного слоя, м Ф - угол, °
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)
5
р - динамический коэффициент вязкости, Пас
р ~ плотность, кг/м3
сг - среднее квадратичное отклонение
4 - коэффициент гидравлического сопротивления
Безразмерные комплексы:
№ - число Нуссельта
Рг - число Прандтля
Ие - число Рейнольдса
Ти - степень турбулентности потока
Индексы:
О - нсвозмущенный поток
И - эквивалентный диаметр канала
Т- основной поток
Ь - глубина выемки
\у - стенка
вх - входное сечение
вых - выходное сечение
гл - гладкий
к - канал
ст - статическое [давление]
Сокращения:
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
АЭС - атомная электростанция
ГК - гладкий канал
ГП - гладкая поверхность
НТО - интенсификация теплообмена
КПД - коэффициент полезного действия
ЛТП - ламинарно-турбулентный переход
ПК - персональный компьютер
ТЭН - теплоэлсктронагреватель
ТЭС - тепловая электростанция
ЧЭП - число единиц переноса
ЭДС - электродвижущая сила
6
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях и в перспективе одним из главных путей повышения экономичности энергоустановок является совершенствование теплообменного оборудования, реализовать которое можно с помощью внедрения эффективных способов интенсификации теплоотдачи. Наибольший интерес представляют поверхностные интенсификаторы, позволяющие значительно увеличить теплосъем при умеренном росте гидравлического сопротивления: спиральные и поперечные проволочные вставки и накатки различной конфигурации, микроребра, сферические, цилиндрические, конусообразные и иные выступы и выемки, шевронные штампованные поверхности и т.д. Основная отличительная особенность интенсификаторов данного вида - это воздействие на пограничный слой (обладающий наибольшим термическим сопротивлением) и его разрушение с последующей турбулизацией потока в пристенном слое. Искусственная турбулизация потока около поверхности приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи. А то обстоятельство, что основная масса потока остается при этом не затронутой турбулизаторами, не приводит к существенному росту гидравлического сопротивления. В этом случае можно говорить об опережающем росте теплоотдачи над гидравлическим сопротивлением, т.е. о высокой энергетической эффективности метода.
Повышение энергетической эффективности путем интенсификации теплообмена в каналах теплообменного оборудования способствует снижению металлоемкости за счёт уменьшения габаритов теплообменных аппаратов, а также улучшает эксплуатационные характеристики теплообменников. Весьма важно, что стоимость производства рациональных интенсификаторов теплообмена на стенках каналов (груб) теплообменников невысока и составляет лишь несколько процентов от стоимости каналов.
Вследствие повышенной турбулентности и вихреобразования в пристенной зоне уменьшается загрязнение поверхности. Скорость загрязнения интенсифицированного тсплообменного оборудования уменьшается в 3-5 раз, что обеспечивает соответственное продление срока работы оборудования между чистками (или полное исключение чисток), а также снижение финансовых расходов на чистку.
7
Число публикаций по данной тематике непрерывно растет. Однако результаты этих исследований противоречивы. Выбор способа интенсификации не всегда обоснован и часто носит случайный характер.
С начала 80-х годов прошлого века особый интерес проявляется к способам пристенной (поверхностной) интенсификации теплообмена. Эти способы обладают важным преимуществом перед остальными - они имеют высокую энергетическую эффективность за счет турбулизации лишь пристенной области течения. Поток турбулизируется там, где имеет место максимальный поперечный градиент температуры. В результате этого затраты энергии на прокачку теплоносителя через тракт значительно сокращаются по сравнению с затратами при турбулизации всего потока.
Пристенные интенсифнкаторы теплообмена могут иметь различное конструктивное исполнение. Это цилиндрические, сферические, траншейные, призматические и др. выемки и выступы с поперечным, продольным, нормальным или наклонным положением на теплообменной поверхности. Однако принцип функционирования у них одинаков и основан на создании дискретно расположенных на поверхности локальных зон отрыва пограничного слоя. Эти отрывные пристенные течения способствуют обновлению пограничного слоя, увеличению его степени турбулентности.
В ряде теплообменных устройств широко используются способы пристенной интенсификации теплообмена, например, с помощью сферических выемок. Интерес к такому способу интенсификации теплообмена возрос после публикации результатов исследований Г.И. Кикнадзе с соавторами, в которых продемонстрирована высокая энергетическая эффективность системы нанесенных на поверхность канала сферических выемок. Авторы объясняли этот факт самоорганизацией в сферических выемках смерчеобразных вихревых структур. После опубликования Г.П. Нагогой, М.Я. Беленьким,
В.И. Тереховым, Я.П. Чудновским, A.B. Щукиным положительных результатов использования систем сферических выемок в трактах охлаждаемых турбинных лопаток интерес к этому способу интенсификации теплообмена возрос еще больше.
Повышенный интерес к использованию сферических выемок в качестве интенсификаторов теплообмена в первую очередь связан с более ранним ламинарно-турбулентным переходом и более поздним отрывом потока на криволинейных поверхностях при их использовании. Обзоры исследований кар-
тины течения, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с одиночными сферическими выемками и их системами П.Н. Кубанского, Р. Снидекера и
С. Дональдсона, Г.И. Кикнадзе, A.A. Александрова с соавторами, В.Н. Афанасьева и Я.П. Чудновского, К. Бивеса и др., П.Р. Громова, М.И. Рабиновича и др., Ю.Ф. Гортышова и др., B.C. Кесарева, А.П. Козлова и A.B. Щукина,
B.П. Почуева, A.B. Туркина, Э.Д. Сергиевского и др., А. Сударева и др., К. Пресера, Э.П. Волчкова, В.И. Терехова, С.В. Калининой и IO.M. Мшви-добадзе, Г.П. Нагоги и Ю.М. Анурова, А.Б. Езерского и В.Г. Шехова, A.A. Халатова и др., Ф. Лиграни, Дж. Махмуда, М.Я. Беленького, М.А. Го-товского и др., Р. Банкера и К. Доннеллан, И. Шрадера, K.JL Мунябина,
C.Ф. Баева, Н. Бурджесса, Х.-К. Муна и др., С. Муна и C. Jlay, К.М.К. Чуи, X. Динга и др., Ю.И. Шанина и О.И. Шанина, A.B. Митякова, В.Ю. Митякова и др., Л.В. Арсеньева с соавторами, С. Хванга и X. Чо, Т. Гриффита и др., Ф. Жоу, С.А. Исаева и др., К. Йео, Б. Ху и З.Уонга, Д. Чаудхари и др., Дж. Парка, Т. Барбера и Э. Леопарди, Ф. Гренарда. В. Куинтилла-Ляройа,
Э. Ляроше, В. Патрика и многих других показали, что нанесение рельефов из сферических выемок на плоские и цилиндрические поверхности при их продольном обтекании приводит к росту гидросопротивления от 1,25 до 2,5 раза в зависимости от геометрических параметров интенсификаторов, хотя имеются работы с ростом в 5-10 раз. Выявлено, что нанесение системы сферических выемок на цилиндрические поверхности при их поперечном обтекании несколько снижает гидросопротивление систем труб. Интенсификация теплообмена поверхностей с системами сферических выемок достигает 3,5 раз при турбулентном режиме течения основного потока. Однако в существующих работах имеются ограниченные результаты исследований касательно режимов течений, границы переходов режимов течения в каналах и на поверхностях со сферическими выемками даны только для течения воздуха и пр.
Также все большее внимание сегодня уделяется другим типам выемок (цилиндрическим и траншейным), имеющим более низкое по сравнению со сферическими выемками гидросопротивление при сопоставимых значениях прироста теплоотдачи. Результаты исследования теплоотдачи и гидродинамики при обтекании цилиндрических выемок изложены в работах К. Вигхарда, Е.М. Спэрроу, A.A. Халатова, С. Муна, М. Хивады, В.И. Терехова, Ф. Гренарда, Ф. Лиграни и др. Трехмерные траншейные выемки различной формы рассматривались в экспериментальных и расчетных работах
Л.Л. Хазатова, С.А. Исаева, В.И. Терехова, Дж. Парка, Э.Д. Сергиевского, A.A. Титова, A.B. Воскобойника и др. Несмотря на накопленный объемный материал по исследованию осредненных и локальных характеристик гидродинамики и теплообмена в каналах с такими выемками, в литературе практически отсутствуют инженерные рекомендации и методики расчетного прогнозирования характеристик каналов и теплообменников в целом с данными видами интенсификаторов теплообмена, а имеющиеся данные об уровне интенсификации довольно противоречивы. Кроме того, результаты исследований справедливы преимущественно для сравнительно узких диапазонов определяющих параметров интенсификаторов и набегающего потока. В этом случае вставал вопрос: в каких случаях и при каких формах поверхности достигается интенсификация теплоотдачи?
Анализ научно-технической литературы доказывает, что для решения проблем интенсификации теплоотдачи необходимы комплексные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования теплообмена и трения в дискретно-шероховатых каналах.
На основе проведенного обзора поставлена основная цель работы: разработка рекомендаций по определению режимов обтекания и расчету гидросопротивления и теплоотдачи, необходимых для создания теплогидравлически эффективного теплообменного оборудования на основе выявленных механизмов интенсификации теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками различной формы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Установить границы режимов течения в каналах с интенсификатора-ми теплообмена в виде сферических, цилиндрических и траншейных выемок.
2. Выявить и математически описать влияние основных режимных параметров и геометрии интенсификаторов на теплоотдачу и гидросопротивление в каналах с цилиндрическими выемками.
3. На основе экспериментальных данных дать основы физических моделей течения и теплообмена в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками.
4. Провести сравнительный анализ интенсификаторов теплоотдачи по их теплогидравлической эффективности; выявить наиболее перспективные
10
интенсификаторы и дать рекомендации по их оптимальным параметрам и рациональным режимам эксплуатации.
Работа выполнена с использованием экспериментальных методов исследования гидродинамики и теплообмена, в том числе тепловизионных исследований, саже-масляной визуализации и визуализации за счет подкрашивания теплоносителя и др.
По результатам работы сформулированы следующие основные выводы:
1. Впервые разработаны карты режимов обтекания траншейных и цилиндрических выемок и их систем. Доработана карта режимов обтекания сферических выемок и их систем путем учета данных для воды.
2. Уточнены физические модели обтекания сферических, цилиндрических и траншейных выемок. Установлено подобие процессов их обтекания.
3. Экспериментально выявлено и математически описано влияние основных режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками с И/с1=0,1-0,5 и 7=52% при турбулентном отрывном режиме течения в диапазоне чисел Яес=9 500-27 ООО. Максимальный рост теплоотдачи в таких каналах при 7=52 % и ЬТ>=48,7 составил 25 % при 11/6=0,1 и до 75 % при Ь/с1=0,5 при сопоставимом росте гидросопротивления.
Впервые получены обобщающие зависимости для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов с цилиндрическими выемками.
4. Определены коэффициенты локальной и средней теплоотдачи на поверхностях с одиночными и «шахматными» и «коридорными» рельефами из траншейных выемок при относительных глубинах выемок 11/с1=0,1-0,5 и различных углах поворота выемок по отношению к набегающему потоку Ф=0, 22, 45, 67, 90 °. Выявлено влияние угла наклона траншейных выемок к набегающему потоку на теплоотдачу. Установлено, что максимальная интенсификация теплоотдачи (на 60 % по сравнению с гладкой поверхностью) соответствует ф=67,5 ° при использовании «шахматного» рельефа выемок. Те-пловизионные исследования позволили обосновать механизмы интенсификации теплоотдачи при использовании траншейных выемок.
5. Обоснованы оптимальные условия использования исследованных ин-тенсификаторов теплоотдачи. Установлено, что наибольшая теплогидравлическая эффективность цилиндрических выемок при турбулентном режиме их об-
II
текания в диапазоне чисел Ке0=12 500-27 ООО составляет Е'тах=1,2-1,3 и соответствует значениям ЬЛ1=0,1 во всем исследованном диапазоне 170=8,9-48,7.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые получена карта режимов течения в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками. Для сферических выемок ранее полученная карта режимов для воздуха дополнена данными для воды.
2. Уточнены физические модели течения и теплообмена в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками.
3. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками при турбулентном режиме течения.
4. Даны рекомендации дтя инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде цилиндрических и траншейных выемок.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются соответствующей точностью и тарировкой всех измерительных систем; выполнением ряда тестовых опытов и хорошим согласованием их результатов с работами других исследователей; использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств для обработки данных; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных; соответствием полученных результатов физическим представлениям о процессах переноса в данном классе технических способов повышения тепловой эффективности теплообменного оборудования.
Полученные в работе результаты позволяют: на основе визуализации обтекания выемок различной формы и разработанных карт режимов оптимизировать аэродинамические характеристики тел обтекания, в том числе транспортных средств, а также определять режимы обтекания, на основе которых производится выбор расчетных формул для гидросопротивления и теплоотдачи; разрабатывать высокоэффективное теплообменное оборудование и системы охлаждения для энергетики, машиностроения, химической и пищевой промышленности и т.д. на основе полученных в работе зависимостей для расчета гидросопротивления и теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками; повысить тепловую эффективность оборудования в 1,1-1,8 раза при соизмеримом росте гидросопротивления за счет применения исследованных в работе интенсификаторов.
12
Полученные результаты использованы в методиках расчета при создании нового тсплообменного оборудования и систем охлаждения ОАО «Казанское ОКБ «Союз» (Казань), ООО «НПП «Тринити» (Казань), ООО «Энергия и эффективность» (Казань).
Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам РФФИ (№№ 09-08-00224-а, 10-08-00110-а, 11-08-00509-а), программы Министерства образования и науки РФ (госконтракты №2.1.2.5495, №2.1.2.12279, 14.740.11.0524) и др.
Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на Школс-ссминаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Жуковский, 2009, Звенигород, 2011), V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва,
2010), Международной молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2009-2011), Межвузовском научно-практическом семинаре «Внутрика-мерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2011), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы теплома-сообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2009), IV и V Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2009, 2011), VI Международной научно-технической конференции «Авиация, наземный транспорт и энергетика» (Казань, 2011), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КНИТУ-КАИ (2009-2011).
По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, вклю- ' чая 7 статей в центральных российских изданиях (из списка ВАК РФ), 13 тезисов и материалов докладов, 1 статья в сборнике.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. И.А. Попову, заведующему кафедрой теоретических основ теплотехники, руководителю научной группы по интенсификации теплообмена, д.т.н., проф. Ю.Ф. Гортышову, д.т.н., проф. С.Э. Тарасевичу, к.т.н., доц. A.B. Щелчкову, к.т.н., доц. А.Б. Яковлеву, магистранту P.A. Ульяновой, инженерно-техническому персоналу: B.C. Колкунову, Р.К. Нурееву, B.C. Краснянскому и др. за консультации и помощь в организации и проведении экспериментальных исследований.
13
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТЯХ С ВЫСТУПАМИ И ВЫЕМКАМИ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ
1.1. Сравнительный анализ теплогндравлнческон эффективности каналов с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи
различной формы
Методы интенсификации, согласно работе [59], можно подразделить на пассивные, которые не требуют прямых затрат энергии, и активные, которые требуют затрат энергии извне. Эффективность обоих способов в значительной мере зависит от характера теплообмена.
Наибольшую теплогидравлическую эффективность обычно имеет пассивный метод интенсификации теплообмена в виде шероховатых поверхностей, образованных дискретным расположением выступов и выемок различной формы. Накоплен значительный опыт использования кольцевых накаток, сферических выемок, спиральных выступов и т.д.
Далее рассмотрены результаты исследований интенсификаторов в виде сферических, цилиндрических, траншейных выемок как наиболее перспективных.
В работах [21, 50, 63] приведены результаты сравнительной оценки эффективности промышленно перспективных интенсификаторов теплообмена, для чего использовалась относительная форма универсального критерия М.В. Кирпичева Е' = Е'/Е'ГЛ [11], где Е' = (З/ММ; Е'м - энергетические коэффициенты интенсифицированного и гладкостенного каналов; О, N - тепло-съем и мощность прокачивания теплоносителя в канале; - температурный напор «поток-стенка». Канал с интенсификаторами и сами интенсификаторы, обладающие наилучшей (из ряда вариантов) теплогидравлической характеристикой Е' = тах, являются наиболее оптимальными (эффективными). Сравнение наилучших вариантов для различных типов интенсификаторов реализовано с помощью графиков Еи'1ал = ((Яе), показанных для ламинарного и турбулентного течения в нестесненных каналах на рис. 1.1 и 1.2.
Сферические выемки (линия 13 на рис. 1.1) обеспечили в диапазоне Яе=1 000-2 ООО опережающий рост интенсивности теплоотдачи (Ми/Ыигл<3)
14
по сравнению с увеличением сопротивления (£/£га<1,8). Соответственно, достигнута повышенная эффективность канала с такими выемками Е' % 1,7 относительно гладкой трубы. Следовательно, сферические выемки вполне рационально использовать для интенсификации теплоотдачи при ламинарном течении теплоносителя. Выигрыш от уменьшения массы, габаритов и стоимости теплообменников очевиден.
Рис. 1.1. Энергетическая эффективность каналов с поверхностными интен-сификаторами теплоотдачи при ламинарном режиме течения [18]: 1-гладкий канал; 2-труба со спиральной проволочной вставкой, М)=0,171, $/0=4,3; 3-труба с поперечными выступами, сШ=0,8; $/0=0,66; 4- труба со спиральной накаткой, &Т>=0,72; $/0=0,72; 5- труба со спиральной проволочной вставкой, 11/0=0,079; а=76°; 6-труба с поперечными выступами, 211/0=0,2-0,24; $/Ь=25; 7- труба с диафрагмами, 60=0,25, $0=0,32; 8-труба с поперечными выступами; 9-труба со спиральной проволочной вставкой, $0=6,5; 10-труба с поперечной накаткой (выступы) Ь0=0,0625; $0=0,706; 11-труба с поперечной накаткой, Ь0=0,0625; $0=0,706; 12-канал со сферическими выступами, Ь/с1=0,21; Ь/Н=0,186; Н/с1=1,12; 13-канал со сферическими выемками, Ь/с1=0,21; Ь/Н=0,3; Н/с1=0,71; 14-труба со спиральной проволочной вставкой
Оптимальные поперечные размеры сферических выемок составляют Ь/(1=0,21 (линия 13). Для них в изученном интервале Яе=400-2 ООО, вероятно, реализовалась картина обтекания выемки без присоединения основного потока ко дну выемки [52, 53]. Оптимальные относительные размеры выемки к высоте канала составляют ЬЛ1=0,3. Вероятно, теплоотдача каналов с выемками значительно повышается в случае стесненных каналов. Сопротивление
15
канала почти не зависит от размера Н/(1. При этом для достижения повышенных значений Ыи/Ыи™ углубленная в стенку канала выемка может быть достаточно глубокой Ь/с1=0,3.
2
1
0,3
4000 10000 100000 юооооо
Ре
Рис. 1.2. Энергетическая эффективность каналов с поверхностными интен-сификаторами теплоотдачи при турбулентном режиме течения [18]: 1-гладкая пустая труба, 2-труба с кольцевыми выступами: 1/Ь=50-100; 11/0=0,01-0,02; 3-труба со спиральными выступами: 1/11=15; Ь/0=0,04; 4-канал с выступами скошенными, неразрезными: 1/11=10; 11/0=0,0625; а=45; 5-канал с выступами скошенными разрезными: 1/11=10; 11/0=0,0625; а=45; 6-канал со сферическими выступами: \Л\=М\ 1т/0=0,043, Ш=0,5; 7-канал со сферическими выемками, 11/0=0,14; 8-струба со сферическими выступами и выемками: Н/О=0,25,1/11=2,8; 9-труба с мелкими сферическими выступами; 10-труба с мелкими сферическими выемками; 11-труба с крупными сферическими выемками; 12-канал со сферическими выемками: НЛ1=0,66; 11/с1=0,13; 7=13%, 1т/О=0,02; 13-канал со сферическими выемками: 1/Ь=1,1; 1г/с1=0,1, 11/6=0,0225, 14-канал со сферическими выступами, 1г/с1=0,14
Для турбулентного режима течения в нестесненных каналах лишь в очень узком интервале чисел Яе качество мелких сферических выемок оказывается выше (линия 13, рис. 1.2) других интенсификаторов. Мелкие выемки характеризуются примерно одинаковым увеличением теплоотдачи и сопротивления канала 14и/Кигл«£/^гл, только опытным линиям 7 и 13 (рис. 1.2) сопутствует неравенство Ыи/Ыигл>^,л. Крупные выемки заметно больше наращивают сопротивление канала по сравнению с теплоотдачей, поэтому их эффективность (линия 11, рис. 1.2) ниже, чем у мелких выемок.
16
Оценка теплогидравлической эффективности интенсификаторов теплоотдачи в виде систем выемок других форм не производилась из-за незначительного количества их исследований.
1.2. Особенности гидродинамики и теплообмена на поверхностях
со сферическими выемками
Обширные обзоры по исследованиям гидродинамики и теплоотдачи в каналах и на поверхностях со сферическими выемками выполнены в работах [ 18, 27, 34,40,46, 51, 56, 58, 62, 64, 74, 79, 80].
Результаты визуализации позволили классифицировать режимы обтекания сферических выемок. В работе [60] разработаны физические модели обтекания сферических выемок. Анализ работ по визуализации обтекания единичных сферических выемок и их систем позволяет выделить следующие основные режимы: 1) ламинарное безотрывное обтекание, когда линии тока параллельны контуру выемки; 2) ламинарное течение с присоединением потока в выемке; 3) ламинарное течение без присоединения потока в выемке; 4) турбулентное течение с присоединением потока в выемке; 5) турбулентное течение без присоединения потока в выемке.
В работе [33] исследован конвективный теплообмен в полусферическом углублении при различных уровнях турбулентности набегающего потока при Кео=( 18,2-33,1)* 104. Анализ результатов тепловых измерений показал, что локальные значения коэффициента теплоотдачи на поверхности углубления практически везде ниже значения перед углублением. Среднее арифметическое значение коэффициента теплоотдачи, вычисленное но всем экспериментальным точкам в углублении, составляет приблизительно 75 % от коэффициента теплоотдачи до углубления.
В работе [67] впервые обнаружено дополнительное существенное увеличение теплоотдачи (до 50 %) при переходе от условий гидродинамически стабилизированного течения в области выемки к течению на начальном участке канала. Значение прироста теплоотдачи зависит от относительной толщины пограничного слоя перед каверной и числа Рейнольдса и объясняется влиянием существующими наряду с крупномасштабными переключательными автоколебаниями мелкомасштабных автоколебаний, генерируемых в отрывном сдвиговом слое над каверной (рис. 1.3).
17
- Київ+380960830922