ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ  ЭФФЕКТИВНОСТЬ  ПРОФИЛИРОВАННЫХ  ТРУБ  ПРИ  ПЕРЕХОДНЫХ  РЕЖИМАХ  ТЕЧЕНИЯ

Скрыпник  Артем  Николаевич

студент  3  курса,  ТиЭМ,КНИТУ-КАИ,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E-mail :  maggotself@gmail.com

Игорь  Александрович  Попов

научный  руководитель,  д-р  тех.  наук,  профессор,  ТиЭМ,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

Одним  из  промышленно  перспективных  способов  повышения  эффективности  теплообменного  оборудования  является  использование  дискретно  шероховатых  труб  [1,  7].  В  настоящее  время  хорошо  изучены  теплогидравлические  характеристики  интенсифицированных  каналов  при  турбулентных  и  ламинарных  режимах  течения,  имеются  конкретные  рекомендации  по  выбору  оптимальных  высот,  шагов  и  т.  д.  интенсификаторов  с  целью  получения  максимальной  теплоотдачи  или  теплогидравлической  эффективности.  В  первую  очередь  выбор  параметров  интенсификаторов  связан  с  необходимостью  разрушения  ламинарного  погранслоя  или  вязкостного  подслоя  турбулентного  погранслоя.  При  переходном  режиме  использование  интенсификаторов  с  параметрами,  оптимальными  для  ламинарного  или  турбулентного  течения,  может  не  привести  к  ожидаемому  эффекту  или  резкому  уменьшению  теплогидравлической  эффективности.  Все  это  касается  и  интенсификаторов  в  виде  2D  дискретной  шероховатости  (выступы  поперечные).  В  современной  мировой  литературе  имеется  ограниченное  количество  работ  посвященных  исследованиям  интенсификации  теплоотдачи  при  переходных  режимах  течения  [8].  В  них  не  дается  конкретных  рекомендаций  по  выбору  оптимальных  параметров  интенсификаторов  и  возможностям  их  изменения  при  изменении  скорости  при  переходном  режиме  течения.  Результаты  последних  исследований  [4]  позволяют  утверждать,  что  поверхностные  интенсификаторы  могут  обеспечить  значительные  показатели  теплогидавлической  эффективности  при  переходных  режимах  течения.

Экспериментальные  исследования  гидродинамики  и  теплоотдачи  проводились  при  вынужденном  течении  воды  в  трубах  длинной  L=1000  мм,  внутренним  диаметром  D=7,6  и  D=10,2  мм,  относительной  длиной  L/d=100.  Характерные  геометрические  и  безразмерные  параметры  труб  с  кольцевыми  выступами  (2D-шероховатость)  представлены  в  табл.1.

Таблица  1.

Геометрические  характеристики  теплообменных  труб  с  2D   шероховатостью

В  трубах  осуществлялась  вынужденная  конвекция  дистилированной  воды,  подаваемой  из  накопительного  бака  с  помощью  насоса  через  систему  гасителей  пульсаций.  Теплообменная  труба  нагревалась  омическим  способом  (непосредственно  пропусканием  электрического  тока  по  ней).  Для  стабилизации  течения  и  исключения  дополнительных  возмущений  потока  устанавливались  прямолинейные  участки  с  внутренним  диаметром  10,2  или  7,6  мм  на  входе  с  L/d=200  и  на  выходе  L/d=100.  В  ходе  эксперимента  измерялись:  расход  воды  через  теплообменную  трубку,  полное  и  статическое  давление  на  входе  и  перепад  давлений  на  теплообменной  трубке,  температуры  теплоносителя  на  входе  и  выходе  из  теплообменной  трубки,  и  температуры  трубки  по  длине  трубки  в  характерных  точках,  параметры  электрического  тока  системы  нагрева  трубки.  По  измеряемым  данным  определялись  потери  давления  и  коэффициенты  гидросопротивления,  тепловые  потоки,  воспринимаемые  теплоносителем  и  средние  коэффициенты  теплоотдачи  на  участках  трубы  и  по  всей  трубе. 

Внешний  вид  дискретной  шероховатости  в  виде  кольцевых  выступов  (2D-шероховатость)  представлены  на  рисунках  1  и  2.  2D  дискретная  шероховатость  достигалась  накаткой.

Рисунок  1.  Фотографии  профилей  сечения  труб  с  кольцевой  накаткой  (2D -шероховатость)

Результаты  тестовых  опытов  по  гидросопротивлению  и  теплоотдаче  прямой  трубы  удовлетворительно  —  с  отклонениями  не  более  ±5¸±10  %  (показано  далее  на  рис.  3  и  4)  —  согласуются  с  известными  зависимостями:

для  ламинарного  режима  — 

                                       (1)

для  турбулентного  режима  — 

                                     (2)

             (3)

где  с=0,15;  m=0,33;  n=0,33;  k=0,1;  p=0,25  —  для  ламинарного  режима;  с=0,021;  m=0,8;  n=0,43;  k=0;  p=0,25  —  для  турбулентного  режима;  n=0,43;  k=0;  p=0,25;  (по  данным  табл.3)  —  для  переходного  режима.

Таблица  2.

Зависимость  величины  К₀  от  критерия  Re

Гидросопротивление  и  теплоотдача  в  каналах  с  кольцевой  накаткой

Гидросопротивление  и  теплоотдача  труб  с  кольцевой  накаткой  при  турбулентном  режиме  течения  теплоносителя  хорошо  изучены  [2].  Сегодня  данный  способ  интенсификации  теплообмена  один  из  самых  используемых  в  технических  приложениях.  Однако  для  ламинарной  области  течений  и  переходных  режимов  для  данного  вида  интенсификаторов  теплообмена  имеется  ограниченное  количество  данных,  что  не  позволяет  выбрать  оптимальные  размеры  интенсификаторов  для  максимальной  интенсификации  теплоотдачи  или  достижения  максимальной  теплогидравлической  эффективности  теплообменных  труб  с  данным  видом  интенсификаторов  теплоотдачи.

На  рис.  2  и  3  показаны  данные  по  коэффициентам  гидросопротивления  и  средним  коэффициентам  теплоотдачи  в  каналах  с  кольцевой  накаткой.

Рисунок  2.  Экспериментальные  данные  по  гидросопротивлению  в  каналах  с  кольцевой  накаткой

Обозначение  в  табл.  1.  Линии  —  расчет  по  (1)  и  (2)

Рисунок  3.  Экспериментальные  данные  по  средним  коэффициентам  теплоотдачи  в  каналах  с  кольцевой  накаткой

Обозначение  в  табл.  1.  Линии  —  расчет  по  (3)

Данные  для  турбулентного  режима  сравнивались  с  данными  [2],  отмечено  удовлетворительное  согласование  данных  с  отклонениями  до  15  %. 

Из  анализа  рис.  2  и  3  хорошо  видно,  что  с  увеличением  относительной  высоты  выступов  отмечается  более  ранний  ламинарно-турбулентный  переход.  Данные  по  переходным  числам  Рейнольдса  Re_кр1  сравнены  с  данными  Коха,  приведенными  в  [2].  Получено  удовлетворительное  согласование  по  уровню  переходных  чисел  Рейнольдса  и  характеру  из  изменения  с  данными  [2]  (рис.  4).

Рисунок  4.  Зависимость  переходного  числа  Re _кр1  от  параметров  накатки  в  дискретно-шероховатых  трубах

На  рис.  5  и  6  приведены  уровни  повышения  коэффициентов  теплоотдачи  при  различных  режимах  течения  в  трубах  с  кольцевой  накаткой.

Рисунок  5.  Данные  по  повышению  коэффициентов  гидросопротивления  в  трубах  с  кольцевой  накаткой  по  сравнению  с  гладкими  трубами

Обозначение  табл.  1

Рисунок  6.  Данные  по  повышению  коэффициентов  теплоотдачи  в  трубах  с  кольцевой  накаткой  по  сравнению  с  гладкими  трубами

Обозначение  табл.  1

Анализ  данных  на  рис.  5  и  6  показывает,  что  с  увеличением  высоты  выступов  возрастает  уровень  повышения  теплоотдачи,  однако  сопоставимо  растет  и  уровень  гидросопротивлений  в  подобных  трубах.  Увеличение  шага  между  выступами  чаще  приводит  к  росту  гидросопротивления,  что  отмечалось  и  в  [2].  Интенсификация  теплоотдачи  в  области  турбулентных  течений  достигает  больших  значений,  чем  в  области  ламинарных  течений,  на  что  указывалось  в  [2].  При  Re=1000-4000  наблюдается  резкое  увеличение  повышения  уровней  теплоотдачи  и  гидросопротивлений  в  дискретно-шерховатых  трубах  по  сравнению  с  гладкими  трубами.  Это  связано  с  тем,  что  в  гладких  трубах  может  еще  наблюдаться  ламинарное  течение,  а  в  дискретно-шероховатых  при  этих  же  числах  Рейнольдса  уже  развивается  турбулентное  и  переходное  течение.

Рисунок  7.  Теплогидравлическая  эффективность  теплообменных  дискретно-шероховатых  труб  с  кольцевой  накаткой

Обозначение  в  табл.  1

Анализ  теплогидравлической  эффективности  теплообменных  дискретно-шероховатых  труб  с  кольцевой  накаткой  (рис.  7)  показал,  что  при  турбулентном  течении  наибольшая  теплогидравлическая  эффективность  свойственна  трубам  в  выступами  с  d/D=0,98,  что  подтверждает  выводы  [1,  4].  При  числах  Рейнольдса  от  3000  до  10000  максимальная  теплогидравлическая  эффективность  обеспечивается  трубами  с  d/D=0,98,  0.97,  0,91,  0,9  и  0,86  при  снижении  чисел  Рейнольдса.  Однако,  при  ламинарных  течениях  —  числа  Рейнольдса  меньше  1000  —  максимальная  теплогидравлическая  эффективность  опять  свойственна  трубам  с  d/D=0,98,  что  несколько  расходится  с  рассуждениями  работы  [4].  Ожидаемая  высокая  теплогидравлическая  эффективность  трубы  с  d/D=0,74—0,8  при  Re<2000  не  подтверждена.  Выбор  «высоких»  выступов  связан  с  тем,  что  толщина  ламинарного  пограничного  слоя  значительно  больше  толщины  вязкостного  подслоя  турбулентного  пограничного  слоя.  Высокая  тепловая  эффективность  данных  труб  нивелируется  высоким  уровнем  роста  гидросопротивления.

Полученные  данные  позволяют  получить  расчетные  рекомендации  по  переходным  числам  Рейнольдса,  коэффициентам  теплоотдачи  и  гидросопротивления  при  ламинарном  и  переходном  режимах  течениях  в  дискретно-шероховатых  трубах  с  кольцевой  накаткой,  а  также  обосновать  выбор  рациональных  параметров  интенсификаторов  теплоотдачи  для  достижений  максимальных  значений  тепловой  или  теплогидравлической  эффективности.

Список  обозначений

d   —  диаметр  канала  по  выступам,  м;  D  —  диаметр  канала,  м;  f  —  плотность  расположения  выступов/выемок;  Gr  —  Число  Грасгофа,  h  —  глубина  выемки  или  высота  выступа,  м;  ξ  —  коэффициент  гидравлического  сопротивления;  L  —  длина  канала,  м;  Nu_D  —  число  Нуссельта,  рассчитанное  по  D;  η  —  коэффициент  теплогидравлической  эффективности,  Pr  —  число  Прандтля,  Re_D  —  число  Рейнольдса,  рассчитанное  по  D;  S₁,  S₂  —  продольный  и  поперечный  шаг  выступов,  t  —  температура,  ºС.  Индексы:  0,  гл  —  данные  для  гладкого  канала,  e  —  эквивалентный,  f  —  жидкость,  w  —  стенка.

Список  литературы:

1.Гортышов  Ю.Ф.,  Попов  И.А.,  Олимпиев  В.В.,  Щелчков  А.В.,  Каськов  С.И.  Теплогидравлическая  эффективность  перспективных  способов  интенсификации  теплоотдачи  в  каналах  теплообменного  оборудования.  Интенсификация  теплообмена:  монография  /  Казань:  Центр  инновационных  технологий,  2009.  —  531  с.

2.Готовский  М.А.  Некоторые  особенности  теплоотдачи  и  сопротивления  потока  высоковязкой  жидкости  в  трубах  с  искусcтвенной  шероховатостью  при  переходных  режимах  течения  //  Труды  Пятой  Российской  национальной  конференции  по  теплообмену.  Т.  6.  М.:  Издательский  дом  МЭИ,  2010.  —  с.  54—57.

3.Калинин  Э.К.,  Дрейцер  Г.А.,  Ярхо  С.А.  Интенсификация  теплообмена  в  каналах.  М.:  Машиностроение,  1990.  —  208  с.

4.Леонтьев  А.И.,  Олимпиев  В.В.  Потенциал  энергосбережения  различных  способов  закрутки  потока  и  дискретно  шероховатых  каналов  //  Известия  РАН.  Энергетика.  —  2010.  —  №  1.  —  с.  13—49.

5.Мигай  В.К.  Повышение  эффективности  современных  теплообменников.  Л.:  Энергия,  1980.  —  143  с.

6.Надир  С.М.,  Жаргалхуу  Л.,  Рыжков  А.Ф.  Теплогидравлическая  эффективность  промышленных  турболизаторов  в  переходных  режимах  течения  теплоносителя  //  Промышленная  энергетика.  —  2006.  —  №  4.  —  с.  44—50.

7.Попов  И.А.,  Махянов  Х.М.,  Гуреев  В.М.  Физические  основы  и  промышленное  применение  интенсификации  теплообмена:  Интенсификация  теплообмена.  Казань:  Центр  инновационных  технологий,  2009.  —  560  с.

8.Garcia  A,  Vicente  P.G.,  Viedma  A.  Experimental  study  of  heat  transfer  enhancement  with  wire  coil  inserts  in  laminar-transition-turbulent  regimes  at  different  Prandtl  numbers.  Int.  J.  of  Heat  and  Mass  Transfer.  —  2005.  —  V.  48.  —  P.  4640—4651.