Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

№5 и 6) привело к росту теплоотдачи примерно в 2–3 раза.

Кроме того, к росту теплоотдачи ведет увеличение количества углублений в поперечном сечении и уменьшение шага между ними в продольном направлении. С изменением количества выемок в поперечном сечении экспериментальной трубы (образцы №9 и 10) происходит увеличение значения Nu/Nu0, примерно в 1,30–1.75 раза, изменение же шага (образцы №7 и 8) приводит к росту теплоотдачи меньше, чем в 1,2 раза. Таким образом, фактор f является наименее значимым, хотя в совокупности с остальными геометрическими параметрами играет существенную роль.

Вцелом результаты показали рост теплоотдачи на исследованных поверхностях по сравнению с гладкой на 50–105% в кольцевом канале.

Вработе А.В.Митякова, В.Ю.Митякова, С.З.Сапожникова [86] исследования локальной теплоотдачи в сферической выемке производилось с помощью датчика теплового потока ГДТП, изготовленного авторами. Исследования производились в аэродинамической трубе на пластине с одиночным сферическим углублением.

Рис.3.147. Теплометрия на платине и в сферической полости [86]: а – схема пластины; б – схема полости на пластине; 1 – сферическая полость; 2 и 3 – датчики теплового потока

В процессе опытов скорость потока воздуха меняется от 5 до 15 м/с. Плоская пластина 1 коробчатой конструкции имеет размеры 150×450×10

мми выполнена из стальной фольги толщиной 0.1 мм. Через полость плстины пропускается пар. Температура пара в опытах близка к 100°С. Таким образом, температура стенки поддерживается постоянной. На расстоянии 400

ммот входного сопла на поверхности пластины выполнена сферическая полость 1 диаметром 65 мм и глубиной 9 мм (рис.3.147).

Характерные пульсации термо-э.д.с., зафиксированные в одной из точек полости, представлены на рис.3.148, а спектр этих пульсаций – на рис.3.149.

Наблюдается сильная временная неравномерность плотности теплового потока. На спектре выражены максимумы на частотах 0,5; 2,1 и 4 Гц. из чего можно сделать вывод о том, что пульсации имеют низкочастотный характер.

Местные коэффициенты теплоотдачи, отнесенные к среднему (по поверхности пластины) уровню, представлены на рис.3.150 как функции числа Рейнольдса. Видно, что коэффициенты теплоотдачи повышаются от перед-

209

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ление коэффициентов теплоотдачи за полусферической выемкой имеет монотонный характер.

Здесь х* – расстояние от заднего края углубления вниз по потоку; x0 – расстояние между координатой х=0 и задней кромкой углубления вдоль линии симметрии. Для ламинарного потока n=0,5, а для турбулентного потока – 0,8. Как следует из (3.8), в безразмерном представлении число Рейнольдса не оказывает влияния на отношение α/α0. Константа C в уравнении (3.8) для ламинарного и турбулентного потока определена на основе RGB-анализа экспериментальных данных. Эта константа равна 0,84 для ламинарного потока (ReD<5200) и 0,72 – для турбулентного потока. Как следует из уравнения (3.8), для «восстановления» теплообмена до значения на плоской пластине требуется 5…6 диаметров длины после сферического углубления. Если углубление находится в следе другого углубления, то теплообмен в «верхнем» углублении увеличивается, а в «нижнем» – уменьшается. Это уменьшение объясняется изменениями в профиле скорости перед углублением, в то время как увеличение в «верхнем» углублении происходит из-за более интенсивных флуктуаций вихря в нем.

211

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Однако, суммарный теплообмен для обоих углублений остается практически таким же, как для одиночного углубления на плоской поверхности.

Эти данные получены для h/D = 0,13, h/δ0 = 0,4...1,2 и ∆х/D= 0,5...1,0, где ∆х – расстояние между углублениями в осевом направлении.

Работа В.С.Кесарева и А.П.Козлова [24] посвящена экспериментальному исследованию конвективного теплообмена в полусферическом углублении при различных уровнях турбулентности набегающего потока. Исследования проводились в аэродинамической трубе с рабочим участком прямоугольного течения 202×402 мм. На широкой стенке рабочего участка была установлена модель полусферического углубления диаметром (D= 150 мм). Число Рейнольдса, вычисленное по скорости набегающего потока w0=18,5...33,6 м/с и по диаметру углубления, составляло (18,2.. .33,1)104. Интенсивность турбулентности невозмущенного потока в трубе 0,5%. Для турбулизации набегающего потока использовался флажковый генератор турбулентности. Он позволял получать интенсивность турбулентности перед углублением от 22 до 7,2% при неизменных значениях интегрального масштаба турбулентности 58 мм и толщины пограничного слоя 15 мм.

Для измерения характеристик течения в рециркуляционных зонах использовался специальный термоанемометр, чувствительный к направлению потока. Измерения величины α проводились с использованием датчика теп-

измерений была обеспечена изотермичность поверхности углубления. Анализ результатов тепловых измерений показал, что локальные зна-

чения коэффициента теплоотдачи α на поверхности углубления практически везде ниже значения α0 перед углублением. Среднее арифметическое значение α, вычисленное по всем экспериментальным точкам, составляет приблизительно 0,75 α0 при Tu∞ от 0,5%. Однако суммарный тепловой поток от поверхности углубления приблизительно в 1,5 разя выше, чем от поверхности плоского круга того же диметра. Это и позволяет использовать полусферическое углубление в качестве инсификатора теплоотдачи на теплообменных поверхностях.

На рис.3.152а приведены распределения локальных значений коэффициента теплоотдачи вдоль характерных линий на поверхности углублений при Tu∞=0,5%. Видно, что наиболее интенсивный теплоотвод от поверхности углубления осуществляется в области нижней по потоку половины. На полюсе углубления, а также в области эпицентра вихря наблюдаются наименьшие значения α.

С увеличением Tu∞ происходят не только изменения абсолютных значений α, но и характера распределения α по поверхности углубления (рис.3.152б): интенсивность теплоотдачи в области "источника" уменьшается, на полюсе углубления существенно увеличивается, а в области эпицентра вихря ("стока") – остается приблизительно постоянной. Среднее арифме-

212

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

тическое значение α, рассчитанное по всем экспериментальным точкам, возрастает с увеличением Tu∞.

Рис.3.152 Некоторые результаты измерения характеристик теплообмена внутри полусферического углубления [24]

На рис.3.152с приведены результаты расчета суммарного теплового потока Qу от поверхности углубления при различных значениях Tu∞. По оси абсцисс отложено отношение Qу/Qк, где Qк – суммарный тепловой поток от поверхности плоского круга диаметром D с изотермической стенкой. При вычислении значений Qк использовались известные соотношения, отражающие влияние Tu∞ на теплообмен гладкой пластине. Из рисунка видно, что при малых значениях Tu∞ величина Qу значительно превышает Qк. С увеличением Tu∞ эффективность использования полусферического углублений в качестве интенсификатора теплоотдачи снижается. Так, при Tu∞>15 суммарные тепловые потоки Qу и Qк практически одинаковы.

При экспериментальном исследовании теплообмена сферической каверны в лаборатории термодинамики и аэрогидродинамики ИТФ им.С.С.Кутателадзе СО РАН под руководством В.И.Терехова [98] обнаружено, что при переходе от гидродинамически стабилизированного к гидродинамически не стабилизированному течению в области выемки теплоотдача от нее повышается (до 50% в зависимости от толщины пограничного слоя перед каверной и числа Рейнольдса),

Впервые обнаружено дополнительное существенное (до 50%) увеличение теплоотдачи при переходе от условий гидродинамически стабилизированного течения в области выемки к течению на начальном участке канала. Рост 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.3.153).

213

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

различных относительных глубин выемок h/D. При этом, влияния внешней турбулентности с уровнем до 6%, генерируемой турбулизаторамирешетками, на теплоотдачу в кавернах не обнаружено.

В работе А.А.Халатова и др. [39] приводятся результаты эксперимен-

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

шаг), 55% ( S1=0,83; S2 =1,67) и 40% ( S1=1,0; S2 =2,0). От 13 до 17 рядов сфе-

рических углублений с острой кромкой (в зависимости от плотности у) располагались на обеих поверхностях канала в шахматном порядке. Отношение Н/D составляло 0,175, при котором вихри, выходящие из отдельных углублений, не поступают в ядро потока, а присоединяются к стенке канала. Опыты выполнены при изменении числа Рейнольдса RеH от 770 до 26500. Это соответствовало ламинарному режиму в гладком канале такой же высоты (2,0 мм).

\

Рис.3.155. Схема экспериментального канала и поверхность со сферическими углублениями [39]

Согласно экспериментальным данным, представленным на рис.3,156, число Нуссельта превышает данные для гладкого канала.

В диапазоне 900<Rе<10000 число Нуссельта пропорционально числу Рейнольдса в степени 0,74 (Nu~Rе0,74), а при Rе>10000 – Nu~Rе0,8. Это соот-

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

40% интенсификация теплообмена превышает рост сопротивления только до RеH=5000... 6000 (рис.3.158 и 3.159). В этом случае максимальные значения

Nu/Nu0=2,31 (γ=55%) и Nu/Nu0=2,05 (γ=40%) достигаются при RеH=2 400.

Х.-К. Мун и др. [61] выполнили детальное экспериментальное исследование теплообмена в канале с Н/D=0,37...1,49 и шахматным расположением сферических углублений на одной стороне прямоугольного канала. В диапазоне изменения числа RеH от 1200 до 60000 изучены 15 рядов глубоких углублений с h/D=0,20. Интенсификация среднего теплообмена составила около 2,1 во всем диапазоне изменения чисел Рейнольдса и относительной высоты канала Н/D.

С.Мун и С.Лау [65] получили подробные данные о средней теплоотдаче и потерям давления в прямоугольном канале (Н/D=2.7.,.4,0) с 31-м рядом сферических и цилиндрических углублений. Глубина h/D составляла от 0,13 до 0,25, а число RеH изменялось от 10000 до 60000. При RеH=10000 отношение Nu/Nu0 составляет 1,55 для сферических углублений. Для сферических углублений отношение Nu/Nu0 увеличивается с ростом числа Рейнольдса.

216

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.160. Геометрия поверхности с выемками, исследованная в работе [62]

Рис.3.160 показывает геометрические параметры исследованных поверхностей с выемками, исследованные в работе M.K.Чу, Й.Ю, Х.Динга и др. [62]. Ширина канала составляет 76,2 мм (3") и длина – 304.8 мм (12"). Выемки на поверхности изготавливались фрезерованием 19,1-милиметровой шаровой фрезой (3/4"). Глубина выемки составляла 4–8 мм (3/16"), которая составляет ¼ от диаметра шаровой фрезы. Выемки располагались в шахматном порядке, по углам равнобедренного треугольника со сторонами 19,1 мм (3/4") и равным диаметру фрезы. Диаметр выемки составляет приблизительно 2,3 от диаметра фрезы (8,24 мм). Испытательный канал позволяет проводить исследования при трех различных высотах канала – 6,35 мм (0.25"), 19,1 мм (0,75") и 39,1 мм (1,5"). Данные значения высоты канала позволяют получить относительные глубины выемки (H/h) – 1,33, 4, и 8, соответственно. Число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру образующей сферы изменялись

вопытах в диапазону Re=10000–30000.

Вработе исследовались случаи как одностороннего нанесения сферических выемок на нижней стенке плоского канала (С/S), на верхней (S\C) и двухстороннего расположения выемок (С/С).

На рис.3.161 и 3.162 представлены типовые распределения местных коэффициентов теплоотдачи по поверхностям со сферическими выемками для самых малых высот каналов (H=0.25"). При этом, на рис.3.161 представлен двумерный в серых тонах результатов измерения локальных коэффициентов теплоотдачи с помощью жидкокристаллической термографии при Rе=15000. Более светлые области на рисунке соответствуют зонам с более высокими коэффициентами теплоотдачи.

Рис.3.161. Распределение местных коэффициентов теплоотдачи для канала при Re=23000 [62]

217

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Обращает внимание, что, по сравнению с гладкой поверхностью поверхность со сферическими выемками имеет среднюю теплоотдачу приблизительно на 17% выше (рис.3.163).

Локальный коэффициент теплоотдачи значительно изменяется по поверхности и изменение носит периодический характер в зависимости от расположения выемок. Самый высокий местный коэффициент теплоотдачи наблюдается на задней по ходу течения теплоносителя кромке выемки и сразу же за ней. Вниз по течению за выемкой коэффициент теплоотдачи умень-

шается. В пределах выемки значение коэффициента теплоотдачи увеличивается вниз по течению по поверхности выемки. Это в значительной степени подобно распределению местных коэффициентов теплоотдачи в прямоугольных полостях.

Средний коэффициент теплоотдачи в канале с выемками уменьшался по мере перехода от одностороннего расположения к двухстороннему.

Рис.3.163. Интенсификация средней теплоотдачи в каналах со сферическими выемками [62]: а – 4; б – 12

Рис.3.163 показывает картину увеличения средней теплоотдачи в каналах с выемками в зависимости от числа Re. Полученные результаты исследований на рис.3.163 даны для относительной ширины канала W/H=4 и 12 соответственно. Увеличение теплоотдачи составляет приблизительно 2,2–2,7. Учитывая эффект увеличенной поверхности (17% для полусферических выемок) этот уровень интенсификации сопоставим с большинством поперечных выступов–турбулизаторов, но ниже чем на поверхности с системой «ломанных» ребер [100].

218