Кольцевые и спиральные канавки на поверхности теплообмена
В энергетическом НИИ (ЭНИН) проведены экспериментальные исследования перспективного способа интенсификации турбулентного теплообмена в трубах с помощью спиральных канавок, образованных посредством электрохимической обработки стенки. Размеры исследованных канавок: глубина h = 0,25-0,95 мм; ширина (по потоку) L = 3,5 мм; форма поперечного сечения, вероятно, прямоугольная; шаг закрутки канавки s = 60-120 мм; число 3 заходов n = 5 Изученный диапазон чисел Re = (7 - 30)-10 ; диаметр трубы 16,2 мм. Авторы этих работ полагают, что интенсификация теплообмена в таких трубах связана с закруткой потока, вихреобразованием в канавках и некоторым увеличением поверхности теплообмена по сравнению с гладкой трубой. В исследованных трубах с канавками возрастание коэффициента теплоотдачи относительно гладкой трубы достигало Nu/Nuгл = 2, коэффициента сопротивления ε/εгл = 1,7, коэффициента эффективности интенсификации теплообмена ŋ = (Nu/Nuгл)/( ε/εгл) = 0,9-1,3. Эмпирические соотношения вида
Nu = f1 (h/d;d/s;Re;Pr),(14)
ε = f2(h/s;Re)(15)
для расчета теплоотдачи и трения, полученные в этих работах, указывают на зависимость теплоотдачи от глубины канавки h/d (d - внутренний диаметр трубы по гладкой части), шага закрутки канавок (d/s, чисел Re и Рr). Для коэффициента сопротивления определено влияние на него параметра h/s и числа Re (при многозаходных канавках). Экспериментально выяснено, что при одновременном увеличении значений h и s теплоотдача в трубе возрастает.
Прогнозируется эффективное использование труб со спиральными канавками в парогенераторе натрий - вода для ядерного реактора на быстрых нейтронах: поверхность теплообмена экономайзерной части подогрева воды уменьшается (как и длина труб) на 20%.
В МАИ выполнено опытное изучение теплоотдачи и сопротивления межтрубного потока при продольном обтекании пучка труб с поперечными кольцевыми канавками, накатанными на наружной поверхности труб.
Исследованы также теплогидравлические характеристики кольцевых каналов с аналогичными канавками на внутренней трубе. Указывается, что канавки «способствуют турбулизации пристеночного слоя и интенсификации теплообмена». В пучках труб и в кольцевых каналах исследованы канавки h/d = 0 0,15; t/d = 0,25-2 (d – 3 5 эквивалентный диаметр; t - шаг канавок) в интервале Re = 10 -10 .
При нарастании Re теплоотдача интенсифицированной трубы по сравнению с гладкой Nu/Nuгл начинает увеличиваться. Nu/Nuгл> 1 только при некотором Re1 при дальнейшем росте числа Re, после достижения определенного
Re2 теплоотдача стабилизируется: Nu/Nuгл = const. Параметры Re1, Re2 увеличиваются при уменьшенииглубины канавки h/d; шаг t/d почти не влияет на значения Re1,
Re2.Теплоотдача Nu/Nuгл и сопротивление возрастают при увеличении h и уменьшении t. Увеличение глубины h/d всегда приводит к нарастанию сопротивления. Теплоотдача Nu/Nuглсущественно увеличивается при увеличении глубины h/d только до некоторого предела h/d < 0,05, затем следует малое нарастание теплоотдачи, а при h/d >0,l теплоотдача стабилизируется: Nu/Nuгл = const. Максимальная интенсификация теплоотдачи в опытах достигла Nu/Nuгл = 1,5. Оптимальному соотношению теплосъема и потерь давления соответствует интервал h/d = 0,04-0,08.
Опытные соотношения для расчета теплоотдачи при Re1 < Re < Re2 имеют вид:
Nu/Nuгл= f(h/d;t/d;Re), (16) при R 5 e2<Re<10
Nu/Nuгл = f(h/d;t/d)(17)
Анализ информацииприводит к следующим выводам. Исследуя воздействие на поток около пластины одиночных цилиндрических выемок и выступов - влияние их аналогично при одинаковых размерах h/d (d - диаметр выемки или выступа). Сравнение качественного и количественного влияния поперечных и спиральных канавок на теплоотдачу и трение в канале с воздействием на поток в канале поперечных и спиральных выступов указывает на принципиальную общность этого влияния, т.е. выводы имеют достаточно общий характер, что упрощает анализ теплогидравлических характеристик рассматриваемых каналов.
Канавки, как и выступы, являются дискретными элементами шероховатости поверхности, следовательно, для каналов с канавками также возможны три режима шероховатости, свойственные каналам с выступами. Для практически интересного (с точки зрения интенсификации теплообмена турбулентного потока) режима + полного проявления шероховатости (h >70) при наличии спиральных канавок в трубе на основании обширной информации о каналах с выступами для течений в прямоугольных канавках и сферических выемках уравнения подобия для расчета теплоотдачи и трения должны быть записаны в виде:
Nu = f(h/d; t/d; s/d; Re; Pr; L/h; ФPrf/Prw; lH), (18)
где s = nt; Ф - форма поперечного сечения канавки; Prf/Prw– фактор неизотермичности;lH - длина начального участка. Для труб с поперечными канавками аналогично
Nu = f(h/d; t/d; Re; Pr; L/h;ФPrf/Prw; lH). (3.12)
Пока остается невыясненным или не полностью ясным и требует дальнейшего изучения влияние на характеристики каналов с канавками следующих параметров: t/d; s/d; Pr; L/h; Ф; Prf/Prw; lH; 5 влияние числа Re выявлено при Re< 10 . Основываясь на аналогии механизма воздействия на поток выступов и канавок, можно полагать, что параметр Ф почти не влияет на теплоотдачу, аспиральные канавки по влиянию на поток вырождаются в поперечные кольцевые канавки при φ > 50° (φ - угол между осью трубы и продольной осью канавки). Режим шероховатости определяется в основном глубиной канавки h/d, однако для высокого тепло-гидравлического качества канала весьма важно найти оптимальные варианты параметров L/h; L; Ф. В опытах И.Т. Аладьева, А.И. Рзаева ширина канавки L = 3,5 мм, в опытах Г.А. Дрейцера, С.А. Ярхо ширина накатки примерно равна 1 мм, следовательно, абсолютная минимальная величина параметра L, обеспечивающая интенсификацию теплоотдачи турбулентного течения с помощью канавок, составляет Lmin = 2 мм.
Предпочтительное значение h/d для поперечных канавок найдено экспериментально, вероятно, оно сохраняется и для спиральных канавок. Опытные исследования (с визуализацией потока) гидродинамики и теплообмена течения в одиночных поперечных прямоугольных канавках позволяют рекомендовать L/h < 5, при этом исключается присоединение турбулентного потока в канале ко дну канавки и соответственно сохраняется небольшое гидросопротивление канавки. Поперечное сечение канавки в этом случае занято одной рециркуляционной зоной (одним вихрем), вдоль контура сечения прямоугольной канавки формируются три пограничных слоя, в плавнообтекаемой канавке - один пограничный слой. Практически целесообразны канавки с размерами L/h = 1-2. Для снижения гидросопротивления предпочтительна удобоотекаемаяформа поперечного сечения (параметр Ф) канавки, как и выступа, - типа части окружности.
Оценивая в качестве метода расчета существующие уравнения подобия для определения теплообмена и трения в каналах с канавками, необходимо подчеркнуть, что даже в полной форме эти эмпирические уравнения обладают серьезными недостатками.
Уравнения 12-15 строго применимы только для геометрически подобной шероховатости.
Величина ошибки расчета при использовании 16-17 для неподобной шероховатости стенки остается пока неизвестной. Эмпирические уравнения не являются универсальными и справедливы лишь в исследованном диапазоне определяющих параметров, поэтому очевидна необходимость разработки аналитических методов тепло-гидравлического расчета каналов с канавками.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 707; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!