Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ний одинаковой формы. На рис.3.121 изображены возможные формы выполнения резонаторов на поверхности нагрева или охлаждения. Для полного разрушения пограничного слоя между потоком и поверхностью при помощи звуковых и ультразвуковых колебаний предлагается особая конструкция поверхности нагрева (или охлаждения).

Отличие предлагаемой конструкции состоит в том, что ее поверхности нагрева сообщаются особые акустические свойства, путем устройства на ней системы из многих одинаковых резонаторов. Собственная частота каждого резонатора должна совпадать с частотой ультразвуковых колебаний, которыми возмущается движущийся .поток тазов. Резонаторы могут иметь различную форму – цилиндрическую, желобовую, кольцевую и т. п. Частота собственных колебаний резонатора, например, цилиндрической, формы может быть подсчитана по следующей известной формуле:

λ4 = l + 0,3d ,

где λ – длина волны, l – глубина резонатора; d – диаметр резонатора. Принцип действия такой поверхности нагрева следующий: в момент

прохождения фазы сжатия резонаторы заполняются газом, а в момент прохождения фазы разрежения таз выходит из резонаторов. Указанное движение происходит в радиальном направлении с ультразвуковой частотой и вызывает распадение пограничного слоя на поверхности теплообмена.

Влияние автоколебательных возмущений в дискретно–шероховатых каналах на интенсификацию теплоотдачи подчеркивается и в исследованиях, проводимых в настоящее время [74].

В начале этого раздела хочется напомнить об изменении теплоотдачи на горизонтальной поверхности за уступом. Данный вопрос считается важным, так как при рассмотрении механизмов переноса вещества в каналах с различными поверхностными интенсификаторами наблюдается схожесть процессов переноса. Это было показано в разделе по визуализации течения в районе сферических выемок, их воздействия на поток, а также в предыдущем разделе по уровню повышения гидросопротивления, свойственному для всех видов поверхностных интенсификаторов теплообмена.

Изменение коэффициента теплоотдачи на горизонтальной поверхности за уступом приведено на рис.3.122 [43]. Максимальное значение α . соответствует точке присоединения потока R. Левее положения максимума находится циркуляционная область течения. В зоне возвратных токов величина коэффициента теплоотдачи существенно переменная. В точке присоединения потока значение коэффициента теплоотдачи примерно в 4 раза выше, чем у основания уступа.

Условия теплообмена в отрывной зоне зависят от критерия Рейнольдса, высоты уступа и толщины пограничного слоя перед отрывом. Увеличение

189

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

скорости внешнего потока приводит к интенсификации движения газа в отрывной зоне, что вызывает рост тепловых потоков. Ранее отмечалось, что при увеличении высоты уступа уменьшается градиент скорости на линии растекания, что вызывает уменьшение тепловых потоков. Увеличение толщины пограничного слоя перед отрывом потока также приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи αR.

Рис.3.122. Изменение коэффициента теплоотдачи на горизонтальной поверхности уступов высотой от 12 до 137 мм в области присоединений потока при различной толщине пограничного слоя [43]

Далее будет неоднократно показано, что распределение местных коэффициентов теплоотдачи за препятствием в виде плоского или цилиндрического выступы или уступа аналогично распределению местных коэффициентов теплоотдачи в районе сферических выемок. Это еще раз доказывает, что сферические выемки относятся к классу поверхностных интенсификаторов теплоотдачи и не обладают существенными «особыми» свойствами.

Рассмотрим теперь исследования теплоотдачи в каналах и на поверхностях со сферическими выемками. Обширные обзоры по данной теме выполнены в работах А.В.Щукина и др. [25,77,78], Г.И.Кикнадзе [12], А.А.Халатова [39].

А.Сударевым и др. [49] представлены обширные данные по теплообмену в «узком» канале (Н/D = 0,19...0,30) с ограниченным числом рядов глубоких сферических выемок (h/D=0,36...0,50) на одной или обеих сторонах канала.

При изменении числа Рейнольдса RеH от 1000 до 50000 и плотности углублений от 20% до 70% среднее значение коэффициента теплоотдачи описывается в работе [49] уравнением:

Nu / Nu0 = (1+ 0,50γ)KF

190

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

где γ – относительная площадь поверхности, покрытая выемками; KF=πh2/(2SxSy) – безразмерный параметр, характеризующий относительное увеличение поверхности теплообмена за счет углублений; Sx, Sy – соответственно продольный и поперечный шаги углублений.

В работе [53] выполнено экспериментальное исследование теплообмена в прямоугольном канале шириной 40 мм и высотой 70 мм (Н/D = 8,75). Скорость набегающего потока равнялась 15 м/с, а температура – 22°С. Нижняя поверхность канала покрывалась сферическими углублениями диаметром 8 мм и относительной глубиной h/D от 0,20 до 0,40, установленными в 9 рядов в шахматном и коридорном порядке. Продольный Sx и поперечный

Sy шаг углублений составлял 1,25, а плотность расположения углублений

γ=50%. Измерения выполнены с помощью тепловизора, что позволило определить температурное поле и локальную теплоотдачу в углублении и на плоской поверхности вокруг него.

Измерения, выполнены в 8-м ряду углублений при развивающемся режиме течения, когда передняя кромка первого ряда находилась на расстоянии 92,5 мм от начала пластины (х/D=11,56). Они показали, что внутри углубления теплоотдача ниже, чем между углублениями, и ее интенсивность увеличивается от передней кромки к задней. Для углубления h/D=0,20 интенсификация теплоотдачи составила 46% при относительном росте гидравлических потерь на 17%. Таким образом, фактор аналогии Рейнольдса составил

1,25.

Обобщение опытных данных для начального участка канала позволило получить следующие уравнения:

Nu / Nu0 =[1+5(h / D)1,1](1−Tu0,3 ) .

Уравнение получено в диапазоне изменения h/D от 0,2 до 0,4 и степени турбулентности потока Tu от 0,03 до 0,07.

Тепловизионное изображение охлаждаемой поверхности с коридорным расположением сферических выемок показано в работе Е.В. Криницкого, А.Ю.Маскинской, В.П. Мотулевича и Э,Д. Сергиевского [79]. Геометрии исследованной поверхности приведены на рис.3.123. В работе А.С.Власенко и Э.Д.Сергиевский [80] приведено новое тепловизионное изображение охлаждаемой поверхности с шахматным коридорным расположением сферических выемок.

Полученные тепловизионные картины показаны на рис.3.124 и 3.125. В выемке коэффициент теплоотдачи на большей поверхности значительней ниже, чем на плоской поверхности, что приводит к местным перегревам стенки в выемках. Эта зона повышенной температуры соответствует области рециркуляционного течения. В точке присоединения потока в области задней кромки выемки коэффициенты теплоотдачи в выемке максимальны, а температура поверхности минимальна. Наименьшая температура на поверхности

191

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

со сферическими выемками наблюдается сразу за выемками по полумесяцу. Это связано с обновлением пограничного слоя и воздействием пульсаций вихревых структур, формирующихся за выемкой от задней и боковых кромок.

Рис.3.123. Геометрия исследованной поверхности [79]

Рис.3.124. Тепловизионное изображение охлаждаемой поверхности с коридорным расположением сферических выемок [79]

С.Ф.Баевым в работе [75] изучен теплообмен в плоских трубах со сферическими углублениями при течении масла. Размер поперечного сечения труб составлял 50×4 мм при длине 350 мм. С.Ф.Баев указывает, что при одинаковых температуре и скорости среды, теплоотдача в таких трубах в 2–3 раза превосходит теплоотдачу гладких круглых труб такого же эквивалентного диаметра. Даже для чисел Рейнольдса в интервале 2<Rе<300 и чисел Прандтля Рr=35–400 был достигнут высокий уровень интенсификации. В области Rе=2...300 и Рr=350...400 интенсивность теплообмена определяется уравнением:

192

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

пытаниях 32 щелевых каналов (рис.3.100) с S/Н=19–96, одна или обе противоположных поверхности которых имели упорядоченную систему сферических углублений с радиусом сферы R=(0,8–11,5)10-3 м, диаметром отпечатка

D=(1,4–6)10-3 м, глубиной h=0,4·10-3 м и шагом t=(2,2–9,6)×0-3 м коридорно-

го или шахматного размещения выемок на поверхности с протяженностью L=(44–59)10-3 м, удаленного от входного торца канала на расстояние x0=50·10-3 м (x0/H=17–100).

Рис.3.128. Интенсивность теплообмена на поверхности с системой сферических выемок в щелевом канале [50]: а – влияние относительной глубины вы-

емок ∆ для f=35% при: 1 – H =0,17; 2 – H = 0,33; 3 – H =0,66; б – влияние относительной высоты канала H для f=35% при различной глубине выемок: А – ∆=0,07; В – ∆=0,13; С – ∆=0,28; в зависимости от величины h/Н: 1 – h/Н= 0,13; 2 –h/Н=0,2; 3 – h/Н=0,33; 4 –h/Н=0,8; в – влияние плотности f размещения выемок для ∆=0,13 при: 1 – H =0,17; 2 – H =0,33; 3 – H = 0,66; 4 – H = 1,0

194

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Интенсивность теплообмена на поверхности с системой сферических выемок в щелевом канале в исследованном диапазоне чисел Rе:

– возрастает независимо от уровня величин f и Н с увеличением относительной глубины выемок ∆, например в 1,1 раза при ∆=0,07, в 1,6 раза при ∆= 0,13 и в 2,3 раза при ∆=0,28 в каналах с f=35% и H =0,33 (рис.3.128а);

–возрастает независимо от уровня величин f и ∆ с уменьшением относительной высоты H щелевого канала, например в

1,65 раза при H =1 и в 2,7 раза при

H =0,17 в каналах с ∆=0,13 и f=67%

(рис.3.128в) и в 1,4 раза при H =2,1 и в

2,2 раза при H =0,36 в каналах с ∆=0,28

и f=35% (рис.3.128б);

–уменьшается при значительном увели-

H с увеличением плотности f размещения выемок на поверхности, например, в 1,5 раза при f=13%; в 2,2 раза при f=35% и в 2,7 раза при f=67% в каналах с ∆=0,13 и H =0,7 (рис.3.128в) ;

–пропорционален массовой скорости потока и числу Rе в степени 0,8 во всем исследованном диапазоне f, H и ∆ (рис.3.129);

–не зависит от типа размещения выемок на теплоотдающей поверхности (шахматный или коридорный).

Обнаружено, что в щелевых каналах с размещением системы сферических выемок только на одной из его поверхностей значительное уменьшение

относительной высоты H щели интенсифицирует теплообмен и на противоположной гладкой поверхности канала, например в 1,2 раза при H =0,33 и в

1,8 раза при H =0,17.

В работах Ю.И.Шанина и О.И.Шанина [68,69] проведено сравнение уровня теплоотдачи в каналах с одно и двухсторонним нанесением сферических выемок с гладким каналом при течении воды. Эксперименты проводились в щелевом канале высотой H=1,7 мм, шириной 30 мм и длиной 110 мм. Выемки получены путем выдавливания шариком диаметром 3 мм с шагом 3 мм. Расположение выемок шахматное и расстояние между краями выемок

195

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

0,8

Интенсификация теплоотдачи для каналаизменяетсядвухстороннимипропорциональновыемкамиReоха)-. рактеризована отношением Nu = (Nuш Pr−1/ 3 ) /(Nuгл Pr−1/ 3 ) и в зависимости

от числе Re представлена на рис.3.130.

Для канала с односторонними выемками в щелевом канале ламинарное

течение затянуто, рост Nu наблюдается с Re=2000 вплоть до Re=10000. В области развитого турбулентного течения (Re>10000) интенсификация теплоотдачи снижается, при этом имеется тенденция к сближению данных для двух– и односторонних выемок.

Максимальная интенсификация теплоотдачи составляет при двухстороннем нанесении выемок – 1,58 раз, при одностороннем – 1,29.

Для исследования интенсивности теплообмена и трения (α, St) на поверхностях, формованных регулярными рельефами из сферических выемок в работе Ю.М.Анурова [66], являющейся продолжением работы [50], были изготовлены и испытаны 35 моделей. Модели представляли собой плоские щелевые каналы одинаковой ширины S=5·10-2м, протяженности LΣ=0,12м, но различные по высоте H (от 0,5·10-3м до 3·10-3м). Для формирования рельефов использовались выемки с различными величинами радиуса сферы R (от 0,8·10-3м до 11,5·10-3м), диаметра отпечатка D (от 1,4·10-3м до 6·10-3м), глубины h (от 0,3·10-3м до 1,5·10-3м) и продольного шага t их размещения (от 2,2·10- 3м до 9,6·10-3м). Совокупность изготовленных пластин обеспечила выполнение исследований теплообмена и трения во всем диапазоне величин определяющих факторов: плотность размещения выемок f до 0,67; относительная глубина вымок ∆=h/D от 0,07 до 1,0; относительная высота канала Н=H/D от 0,33 до 2,1. Набор изготовленных объектов исследования обуславливал

196

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

возможность экспериментального изучения независимого влияния на теплообмен каждого из определяющих геометрических показателей рельефов и выемок.

Измеренные в моделях с коридорным размещением выемок величины коэффициентов теплоотдачи удовлетворительно и без значительных отклонений согласуются с установленными для рельефов с шахматным размещением выемок законами. Интенсификация теплообмена ψSt на поверхности в диапазоне чисел ReD=104…2·105 в щелевом канале с воздухом возрастает: с увеличением относительной глубины ∆, например, с 1,5 раза при ∆=0,13 до 2,3 раз при ∆=0,28 (f=0,35, Н=0,33); с уменьшением относительной высоты Н, например, с ψSt=1,63 при Н=1 до ψSt=2,7 при Н=0,17 ( ∆=0,13, f =0,67); с

увеличением плотности размещения f, например, с ψSt=1,5 при f=0,13, до

ψSt=2,2 при f=0,35 и ψSt=2,75 при f=0,67 ( ∆=0,13, Н=0,7). В результате про-

веденных исследований установлено, что рельефы из сферических углублений, размещенные на одной из трактовых поверхностей щелевого канала, способны значительно (в 2 раза) интенсифицировать теплообмен и на противоположной гладкой поверхности тракта. Уровень интенсификации на гладкой поверхности тракта зависит, прежде всего, от ее относительной удаленности Н от противоположной поверхности тракта и от плотности размещения f. Установленные в работе [66] эмпирические законы индивидуального влияния каждого из определяющих геометрических показателей рельефов позволили обобщить результаты измерений теплообмена на поверхностях всех исследованных рельефов из сферических углублений единой зависимостью величины избыточного теплообмена от комплекса геометрических показателей самого рельефа:

ΨSt =1+ 4,4(∆f )0,8 / Н0,6 .

Это обобщение в совокупности с известными данными для теплообмена в гладкостенных плоских, коаксиальных или круглых каналах позволили сформулировать закон теплообмена на поверхности регулярных рельефов из сферических углублений в щелевых трактах в виде:

Nux = 0,089[1+ 4,4(∆f )0,8 / Н0,6 ]Re0x,8 Pr0,4 Tw−0,55 ,

NuD = 0,022[1+ 4,4(∆f )0,8 / Н0,6 ]Re0D,8 Pr0,4 Tw−0,55 , для x/D≥10 .

В работе В.П.Почуева и др. [47] определение коэффициента теплоотдачи проводилось на щелевых каналах прямоугольного сечения с поперечным размером 30 мм и высотой 1,2 и 3 мм. Углубления выполнялись как на одной из поверхностей канала, так и на обоих (табл.3.5).

197

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 3.5 Параметры щелевых каналах прямоугольного сечения со сферическими вы-

емками, исследованные в работах В.П.Почуева и др.

Диаметр обечайки углубления на поверхности 3 мм оставался неизменным. Относительная глубина углубления h/D=0,1 и 0,2, плотность расположения выемок (отношение поверхности занятой углублениями к полной поверхности теплообмена) f=0,78; 0,61; 0,35 и 0,2. Общая длина канала 160 мм, экспериментального участка 110 мм. Диапазон изменения по числу Re=6·103– 2·105, температурного фактора Тст/Тв=1,5–1,8.

В.П.Почуев и др. [47] приводят зависимость для теплоотдачи в канале со сферическими выемками:

Nu=0,061 Re 0,74,

пригодную, как утверждают авторы, для f=0,78, h/d=0,1, H/d=0,33...1. Наибольшая энергетическая эффективность рассмотренного способа

интенсификации теплообмена наблюдается при максимально возможной плотности расположения интенсификаторов f=78% и относительной глубины выемки h/d=0,1.

В исследованиях А.В.Туркина и др. [48] определены коэффициенты теплоотдачи в кольцевом канале, образованном наружной трубой диаметром 14.33 мм и внутренней трубой диаметром 8,78 мм, на поверхности которой нанесены сферические выемки с D=2,2 мм, h=0,5 мм, эквивалентный диаметр Dэф=4,5 мм. Опыты проведены при турбулентном течении воздуха и постоянном по длине теплоподводе к центральной трубе. Числа Рейнольлса изменялись от 9·103 до 90·103, температурный фактор составлял от 1,05 до 1,5, разность между температурой стенки и температурой потока составляла от

14 до 150К.

По данным А.В.Туркина с соавторами [48], наклон линии Nu=f(Re) примерно соответствует турбулентному режиму течения. Авторы указывают, что при Re>7 103 имеет место уравнение подобия (рис.3.131):

198