Выбор рационального метода интенсификации теплообмена при течении газов и жидкостей в трубах

Как показывают многочисленные данные, из всех известных методов интенсификации теплообмена в трубах наибольшее внимание как эффективным и технологически реализуемым уделяется искусственной турбулизации потока кольцевыми диафрагмами.

В качестве примера эффективной искусственной турбулизации потока рассмотрим метод, разработанный в Московском авиационном институте применительно к трубчатым теплообменным аппаратам [1].

Рис. 1. Труба с кольцевыми турбулизаторами

Сущность предложенного метода заключается в следующем. На наружной поверхности трубы накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки (рис. 1).

При этом на внутренней стороне трубы образуются кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристеночном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб.

При этом не увеличивается наружный диаметр труб, что позволяет использовать данные трубы в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов.

Разработанная БНИИМЕТМАШ технология накатанных труб несложна, допускает использование стандартного оборудования;

Разработанные трубы с кольцевыми турбулизаторами применимы для аппаратов, работающих на газах и жидкостях, при кипении и конденсации теплоносителей, т. е. обладают необходимой для практического применения универсальностью.

Кроме того, этим трубам характерна пониженная загрязняемость. Таким образом, трубы с кольцевыми турбулизаторами удовлетворяют всем требованиям, необходимым для их широкого практического использования.

Следует отметить, что именно в этих трубах была впервые обнаружена признанная в качестве научного открытия неизвестная ранее закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции, заключающейся в том, что в определенном диапазоне размеров и расположений турбулизаторов рост теплоотдачи больше роста гидравлического сопротивления по сравнению с аналогичным гладким каналом [5].

Использование практически реализуемого соотношения (Nu/Nu_гл)>(/_гл) позволяет при заданных значениях тепловой мощности и гидравлического сопротивления теплообменника уменьшить не только объем аппарата, но и площадь его поперечного сечения.

При течении в этих трубах воздуха были получены максимальные значения интенсификации теплообмена Nu/Nu_гл = 2.65, 2.82, 3.12, соответственно при Re — 10⁴, 10⁵, 410⁵.

По данным [6] эти данные близки к рассчитанным предельным значениям интенсификации теплообмена в трубах за счет турбулизации потока Nu/Nu_гл=4.09 и 3.39 при Рг=0.7 и Rе=10⁴ и 10⁵ соответственно, т. е. резервы дальнейшего увеличения интенсификации теплообмена рассмотренным методом небольшие.

Применение данного метода интенсификация теплообмена позволяет в 1,5−2 раза уменьшить объем теплообменного аппарата при неизменных значениях тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.

В последнее время были поставлены новые экспериментальные и расчетные исследования по влиянию геометрической формы турбулизаторов на интенсификацию теплообмена [7, 8].

Геометрическую форму сечения кольцевых турбулизаторов-диафрагм можно представить в виде сегмента радиусом R (рис.1). Представленные в [1] расчеты зависимостей были получены при примерно одинаковых значениях относительных R/D_в0,1.

В то же время на практике применяются диафрагмы более плавной формы (с большими значениями параметров R/D_в). Результаты приведенных экспериментальных исследований представлены на рис. 2.

Увеличение радиуса закруглений диафрагм приводит к уменьшению коэффициентов теплообмена и гидравлического сопротивления при постоянстве других параметров, определяющих эффективность интенсификации теплообмена (Re, d_в/D_в, t/D_в).

С разбросом, не превышающем 10%, получены опытные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению обобщаются единой зависимостью:

а).

б) Рис. 2. Влияние радиуса закругления кольцевых турбулизаторов на гидравлическое сопротивление (а) и теплообмен (б) в трубах.

Различными точками показаны данные разных авторов: 1- по уравнению (4).

(4).

справедливой для =0.1−0,5 и упомянутых в [1] диапазонах d_в/D_в=0,88−0,98; t/D_в=0,25−2,5; Re=10⁴-410⁵. Здесь и определены по приведенным в [1] расчетным формулам и таблицам для R/D_в=0,1.

Полученные зависимости позволяют с предельной точностью проводить расчет теплообмена и гидравлического сопротивления в трубах с практически любыми формами турбулизаторов, полученных накаткой.

В [9] были детально рассмотрены имеющиеся данные [10] по интенсификации теплообмена в трубах благодаря непрерывной закрутке потока, которая может быть обеспечена с помощью скрученных лент или шнековых вставок, расположенных по всей длине трубы.

В отличие от местной закрутки она технологически проще и обеспечивает большее увеличение средней теплоотдачи, так как степень закрутки потока по длине канала не уменьшается.

Однако при этом растет и гидравлическое сопротивление вследствие дополнительных потерь давления на трение на поверхности ленты или шнека.

При Rе=10⁴ закрученная лента дает /_гл=2.34−1.8 и /_гл=4.05−2.5, что позволяет получать уменьшение объема аппарата V/V_гл=0.53 — 0.64.

С ростом Rе эффективность ленточных вставок существенно падает: для Rе=10⁵ получено /_гл=1.88−1.49, /_гл=5.55−1.65, что дает V/V_гл=0.822−0.70. конвективный теплообмен турбулизация поток Следует отметить, что ни при каких значениях чисел Rе и шагах закрутки ленты не удалось получить /_гл/_гл, т. е. опережающего увеличения коэффициента теплообмена по сравнению с ростом гидравлического сопротивления.

Применение кольцевых турбулизаторов позволяет в характерном для теплообменных аппаратов диапазоне изменения чисел Rе=10⁴-10⁵ обеспечить стабильное увеличение теплоотдачи в 2.3−2.43 раза при росте гидравлического сопротивления в 3.8−4.15 раза, что дает возможность получить V/V_гл=0.52−0.5 или уменьшение объема аппарата в 1.95−2 раза (опережающий рост теплоотдачи в таких трубах достигается при больших значениях d_в/D_в=0.97−0.98, при этом V/V_гл=0.5−0.6).

Таким образом, эффективность интенсификации с помощью ленточных вставок при Rе=10⁴ несколько ниже, а при Rе=10⁵ существенно ниже, чем эффективность интенсификации теплообмена кольцевыми турбулизаторами.

Эффективность шнековых вставок значительно ниже ленточных. Даже при минимальных значениях d₀/D=0.33 и =0.05 для шагов закрутки S/D_в4−12 получается /_гл=1.75−1.16 и /_гл=4.74−2.64 при Rе10⁴ и /_гл=0.88−0.58 и /_гл=3.4−1.38 при Rе10⁴.

При этом для Rе=10⁴ V/V_гл=0.84−1.19, а для Rе = 10⁵ V/V_гл = 1.9−2.67.

Таким образом, незначительное повышение эффективности (V/V_гл < 1) можно получить только при S/D_в = 4 и Rе — 10⁴. С ростом Rе и S/D_в величина V/V_гл > 1, т. е. применение шнековых вставок дает отрицательный результат, поскольку ухудшает параметры теплообменных аппаратов.

Еще менее эффективными оказываются шнековые вставки с большими относительными диаметрами сердцевины шнека d₀/D_в и большими толщинами ребер шнека .

К сожалению, на факт уменьшения теплообмена в трубе со шнеками по сравнению с трубой без шнека (<_гл) исследователи не обратили внимания.

По-видимому, такой результат был получен вследствие существенного снижения степени турбулентности потока из-за дополнительных затрат энергии на трение потока на поверхности шнека.

Весьма наглядно сопоставление эффективности рассмотренных методов интенсификации представлено на рис. 3, где показаны зависимости максимального увеличения теплоотдачи при допускаемом увеличении гидравлического сопротивления.

Видно, что в практически интересном диапазоне чисел Re применение кольцевых турбулизаторов обеспечивает большее увеличение коэффициентов теплообмена и поэтому более эффективно.

Рис. 3. Максимальное увеличение теплоотдачи (Nu/Nu_гл)_max при допустимом увеличении гидравлического сопротивления /_гл 1 — Re=10⁴; 2 — Re=10⁵; 3 — кольцевые турбулизаторы [1]; 4 — скрученная лента [9]; 5 — шнек [9]; 6 — Nu/Nu_гл=/_гл .

Все приведённые выше данные для винтовых вставок получены при плотном прилегании их к внутренним стенкам труб. Если же между вставками и трубой появляется кольцевой зазор, эффективность интенсификации теплообмена заметно уменьшается [10].

Другие методы закрутки (спиральные каналы, закрутка потока на входе в канал, витые трубы, спиральные проволочные вставки, спиральные или продольные ребра внутри труб) менее эффективны, чем рассмотренные выше.

Также менее эффективны такие методы, как организация пульсаций потока, использование шероховатых поверхностей.

Поэтому применение кольцевых диафрагм предпочтительно в трубах как наиболее эффективный метод.