Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Для каналов с относительно глубокими выемками h/D>0.3 влияние температурного фактора на гидравлическое сопротивление не обнаружено. Так как неизотермичностъ потока оказывает своё влияние, главным образом, в простеночном слое, то уменьшение влияния температурного фактора на гидравлическое сопротивление с увеличением h/D свидетельствует о том, что для каналов с относительно глубокими выемками возрастает относительная доля сопротивления в ядре потока в суммарных гидравлических потерях.

Таблица 3.12

Обобщающие зависимости по гидросопротивлению в каналах со сферическими выемками

Ламинарное отрывное без присоединения потока обтекание поверхности со сферическими выемками, каналы с двухсторонним расположением выемок с острыми кромками:

Турбулентное (переходное) отрывное обтекание поверхности со сферическими выемками, каналы с двухсторонним расположением выемок с острыми кромками:

319

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Втабл.3.12 приведены зависимости для инженерных расчетов гидравличе-

ского сопротивления. В качестве определяющей температуры использовалась средняя по длине канала температура воздуха tв , а в качестве определяющего

параметра – глубина сферической выемки h – при ламинарных и переходном режиме, – эквивалентный диаметр канала Dэкв – при турбулентном режиме.

3.3.7. Средняя теплоотдача в каналах со сферическими выемками. Влияние основных конструктивных параметров интенсификаторов

Экспериментальное исследование проводилось в стесненных и нестесненных каналах прямоугольного сечения шириной 96 мм при варьировании высоты канала в диапазоне от 2 до 12 мм и следующих безразмерных параметрах интенсификаторов – выемок – и канала – h/D=0,14–0,5; h/H=0,06–2,5; H/D=0,2– 2,3. Выемки имели острые кромки.

На рис.3.270 показано влияние числа Рейнольдса ReD и сравнение полученных данных по теплоотдаче в каналах со сферическими выемками и без них. При сравнении данных для расчета критериев подобия использовался эквивалентный диаметр канала.

Рис.3.270. Теплоотдача в каналах со сферическими выемками. Линии – расчет для гладкого канала для ламинарного и турбулентного режимов течения, точки эксперименты для канала со сферическими выемками. Обозначения см. в

табл.3.10.

320

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Полученные результаты демонстрируют, что:

-в диапазоне малых чисел (порядка ReD=ρwDэкв/µ=1000–2000) повышение теплоотдачи достигает максимальных значений – до 6 раз из-за более раннего ламинарно–турбулентного перехода в канале с выеками, которое уменьшается при увеличении и уменьшении чисел Рейнольдса;

-в области турбулентных течений (ReD>40000) максимальная теплоотдача наблюдается в стесненных каналах при глубоких выемках (h/D=0,5) – до 3,5 раз;

-максимальная интенсификация свойственна для стесненных каналов

(H/D=0,34–0,7).

Для инженерных расчетов теплоотдачи проведено обобщение экспериментальных данных.

Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче в каналах со сфе-

рическими выемками производилось по уравнению подобия Nuh=ƒ(Reh, h/D, H/D), где в качестве определяющей температуры использовалась средняя по

длине канала температура воздуха tв , а в качестве определяющего параметра – глубина сферической выемки h. Обобщение производилось для каждого режима течения отдельно. Режимы течения выделялись согласно приведенной в предыдущем параграфе карте режимов.

На рис.3.271 представлены все экспериментальные данные по теплоотдаче Nuh в каналах со сферическими выемками.

Reh

Рис.3.271. Теплоотдача в каналах со сферическими выемками. Обозначения см.

в табл.3.10.

321

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

конструктивных параметров получено, что теплоотдача, выраженная через безразмерный комплекс – число Нуссельта Nuh, зависит от числа Рейнольдса Reh в степени 1,0, что характерно для переходных режимов. Данное влияние безразмерной скорости потока на теплоотдачу при ламинарном течении основного потока вызвано, по-видимому, наличием в выемках макровихревых структур, вносящих возмущения в пристенный слой за выемками.

При обобщении выявлено влияние на теплоотдачу глубины выемки - Nuh пропорционально комплексу h/D в степени 0,61. Установлено, что на теплоотдачу оказывает влияние и относительная высота канала H/D. При чем, в диапазоне значений H/D=0,28–1,68 наблюдается автомодельность (рис.3.272). При уменьшении значений H/D наблюдается резкий рост теплоотдачи. Как видим, при повышении стесненности канала наблюдается рост теплоотдачи.

В итоге критериальные уравнения для теплоотдачи при ламинарном течении без присоединения потока в выемке имеет следующий вид:

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

h/D в степени 0,887. Установлено также, что на теплоотдачу оказывает влияние и относительная высота канала H/D. При чем, в диапазоне значений H/D=0,28– 1,68 наблюдается автомодельность (рис.3.273). При уменьшении значений H/D наблюдается резкий рост теплоотдачи. Как и в предыдущем случае видим, при повышении стесненности канала наблюдается рост теплоотдачи.

Критериальное уравнение для теплоотдачи при турбулентном (переходном) течении имеет следующий вид:

Зависимости (3.24) и (3.25) описывают все экспериментальные точки с отклонением не более ±20% при доверительной вероятности 0,95. Зависимость справедлива в диапазоне изменения определяющих параметров – Reh=270– 11000; H/D=0,28–2,33; h/D=0,14–0,5.

Далее исследования проводились при более высоких числах Рейнольдса RеD=7·103–5·104. Здесь реализуется развитый турбулентный режим. Относительная высота канала в большинстве опытов изменялась в пределах 0,1≤Н/D≤0,4, относительная глубина выемок 0,1≤h/D≤0,5. При этом уже исследованы каналы с односторонним нагревом и одно– и двухсторонним расположением выемок с острыми и скругленными кромками.

При обобщении данных здесь использовалось число Рейнольдса, рассчитанное по эквивалентному диаметру канала.

На рис.3.274 представлен характерный вид зависимости числа Nu от числа RеD в каналах с односторонними и двусторонними выемками с гладкими кромками. Независимо от относительной глубины выемок h/D и относительной высоты канала Н/D теплообмен подчиняется зависимости Nu~ RеD0,8.

В каналах с выемками с острыми кромками зависимость Nu от RеD носит

более сложный характер (рис.3.275). В диапазоне RеD=1,6·104–5·104 теплообмен подчиняется зависимости Nu~RеD0,76 для всех Н/D и h/D. В диапазоне

RеD=7·103–1,6·104 показатель степени n при числе RеD зависит от Н/D и h/D При уменьшении Н/D и увеличении h/D показатель степени n уменьшается и для Н/D=0,1 и h/D=0,5 n=0,7.

Уменьшение влияния числа RеD на теплообмен в случае относительно «глубоких» выемок в стеснённом канале в диапазоне RеD=7·103–1,6·104 может быть объяснено образованием в выемках застойных зон. При увеличении числа

RеD набирающий силу вихрь «разрушает» застойные зоны и зависимость принимает вид Nu~ RеD0,76.

324

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

виде Nu / ReDn ~ (H / D)m . Вид этой зависимости является типичным и для каналов другой геометрии. Для коэффициента гидравлического сопротивления, показатель степени m при Н/D в зависимости Nu / ReDn ~ (H / D)m существенно

зависит от относительной глубины выемок h/D для всех исследованных каналов и изменяется от –0,3 до –0,55.

Рис.3.276. Зависимость увеличения Рис. 3.277. Зависимость теплоотдачи теплоотдачи в каналах с выемками по от Н/D в каналах с двусторонними сравнению с гладким каналом от RеD: выемками с острыми кромками: ус- h/D=0,5: , – односторонние вы- ловные обозначения см. в табл.3.11 емки с гладкими и острыми кромка-

ми; , – двусторонние выемки с гладкими и острыми кромками; h/D=0,1: – односторонние выемки с гладкими кромками; – двусторонние выемки с острыми кромками

количества движения и энергии.

В каналах с односторонними выемками показатель степени при Н/D изменяется в зависимости от h/D по закону, близкому к линейному.

326

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

для каналов с острыми кромками:

Показатель степени m для выемок с острыми кромками несколько выше, чем для выемок с гладкими кромками, что указывает на влияние относительной высоты канала на характер и структуру вторичных вихревых образований, возникающих при обтекании выемок с острыми кромками и влияющих на теплообмен.

В каналах с двусторонними выемками наблюдается нелинейная зависимость показателя степени m при Н/D от h/D. Как для выемок с острыми, так и с гладкими кромками при h/D>0,3 (т.е. для относительно глубоких выемок) зависимость m от h/D слабая, и можно считать m=соnst.

Для выемок с гладкими кромками зависимость m от h/D аппроксимирована полиномом второй степени:

для каналов с острыми кромками:

Автомодельностъ показателя степени m при Н/D по h/D для двусторонних каналов и существенная зависимость m от h/D в односторонних каналах свидетельствуют о том, что эффекты, возникающие в двусторонних каналах, нельзя рассматривать как простую суперпозицию турбулизирующих воздействий верхних и нижних выемок. Такой характер изменения m может быть объяснён лишь сложным взаимным влиянием вихревых структур, образующихся в верхних и нижних выемках.

На рис.3.278 представлен типичный вид зависимости Nu/Nuгл от Н/D. Для всех исследованных каналов Nu/Nuгл уменьшается с увеличением относительной высоты канала.

Для всех исследованных каналов увеличение относительной глубины выемок приводит к увеличению теплоотдачи. Анализ опытных данных показывает, что для конкретной геометрии канала опытные данные по влиянию относительной глубины выемок на теплообмен можно обобщить единой зависимостью вида Nu /[ReDn (H / D)m ] ~ (h / D)l . Обработка опытных данных по методу наименьших квадратов позволила показать, что вне зависимости от формы

327

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

кромок показатель степени при h/D равен 0.42 для каналов с односторонними выемками. Для каналов с двусторонними выемками показатель степени при h/D изменяется от 0,45 для выемок с гладкими кромками и до 0,49 для выемок с острыми кромками.

В работе большинство опытов проведено при относительной площади, занимаемой выемкой на поверхности, f=0.69. Влияние f на Nu/Nuгл показано на рис.3.279. Для сравнения там же приведены данные [55].

Все полученные экспериментальные данные по теплоотдаче обобщены зависимостями вида:

для каналов с односторонними выемками с гладкими кромками:

m=–0,33(h/D)–0.28;

328