Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

для каналов с односторонними выемками с острыми кромками:

m=–0,46(h/D)–0.3;

для каналов с двусторонними выемками с гладкими кромками:

m=–0,22–1,6(h/D)+1,8(h/D)2;

для каналов с двусторонними выемками с острыми кромками:

m=–0,36–0,8(h/D)+0,96(h/D)2.

Сопоставление результатов обобщения данных по теплоотдаче в каналах с односторонними выемками с острыми кромками с данными [55] представлено на рис.3.280. Из сравнения следует, что данные [55] хорошо обобщаются приведенными зависимостями в диапазоне RеD=1,8·104–5·104. В диапазоне RеD=7·103–1,8·104 данные [55] дают заниженные по сравнению с результатами данной работы значения теплоотдачи. Это расхождение невелико (порядка 4– 8%) и может быть объяснено как за счёт точности получения опытных данных, так и за счёт различия в условиях проведения опытов.

В заключении следует отметить, что зависимости (3.31–3.34) справедливы в следующем диапазоне влияющих параметров:

RеD=7·103–5·104, 0,1≤h/D≤0,5. 0,1≤Н/D≤0,4.

Данные по теплоотдаче в каналах с двусторонними выемками со смещением представлены на рис.3.281 в виде зависимости Nu2δ/Nu20 от относительного смещения δ/D и от Н/D. Отношение Nu2δ/Nu20 увеличивается при увеличении относительного смещения и уменьшении Н/D. Влияние смещения выемок на теплоотдачу более существенно, чем на сопротивление. При Н/D=0,2 и δ/D=1 Nu2δ/Nu20=1,33. Такое существенное изменение теплоотдачи при изменении взаимного расположения выемок свидетельствует о том, что в щелевых каналах вихревые структуры, образующиеся в верхних и нижних выемках, определённым образом взаимодействуют между собой, и их влияние нельзя рассматривать как простую суперпозицию.

329

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 3.13

Обобщающие зависимости по средней теплоотдаче в каналах со сферическими выемками

Ламинарное отрывное обтекание с присоединением потока поверхности со сферическими выемками: острые кромки, двухстороннее расположение

Ламинарное отрывное обтекание без присоединения потока в выемке поверхности со сферическими выемками: острые кромки, двухстороннее расположение

Турбулентное (переходное) отрывное обтекание поверхности с выемками: острые кромки, двухстороннее расположение

H/D=0,28–2,33.

Nu h = 0,9 10−4 Re1h,07, (H D)−1,87 (h D)0,887 h/D= 0,21–0,5;

Reh=560–11000;

H/D=0,2–0,28.

Турбулентное отрывное обтекание поверхности со сферическими выемками,

RеD=7·103–5·104, f=0,69, 0,1≤h/D≤0,5, 0,1≤Н/D≤0,4

331

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

3.3.8.Тепловизионное исследование локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхностях со сферическими выемками

Исследования на гладкой пластине производилось в тестовом режиме со сравнением полученных данных с известными зависимостями других авторов. На рис.3.282 показаны экспериментальные данные по местной теплоотдаче. Для сравнения на графики нанесены расчетные линии для ламинарного режима при обтекании пластины (сплошная линия во всем диапазоне) и для турбулентного режима (пунктирная линия, начало которой соответствует Rex=5.105).

Расчет локальной теплоотдачи для ламинарного режима течения при q=const производился по зависимости:

а для турбулентного течения – по зависимости:

Имеющиеся расхождения экспериментальных и расчетных значений коэффициентов теплоотдачи при ламинарном режиме течения потока воздуха вдоль пластины (до +8…+15%) обусловлены вибрацией рабочего участка и всей пластины, что приводило к более раннему началу ламинарно– турбулентного перевода и повышенным значениям коэффициентов теплоотдачи. В этой связи при дальнейшем сравнении гладкой и интенсифицированной поверхностей использовались только экспериментальные данные для исключения систематических ошибок измерений и влияния дополнительных факторов, имеющих место в обоих рассматриваемых случаях – неинтенсифицированных и интенсифицированных поверхностей.

На рис.3.283 представлены одновременно все экспериментальные данные по теплоотдаче на гладкой пластине в виде зависимости Nuх=f(Reх).

Для последующего сравнения с интенсифицированными поверхностями выполнено тепловизионное исследование распределения температур на пластине при различных скоростях течения (скорость невозмущенного поток w0=11,52–44,81 м/с). Плотность теплового потока qw в опытах поддерживалась практически постоянная (qw=2570–2690 Вт/м2К). Инфракрасная съемка производилась на поверхности 56х56 мм на расстоянии центра площадки от начала пластины 220 мм (рис.3.284).

332

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.282. Распределение коэффициентов теплоотдачи по длине обтекаемой пластины при q=const и различных скоростях потока воздуха: точки – эксперимент; сплошная линия – расчет для ламинарного течения по (3.35); пунктирная линия – расчет для турбулентного течения по (3.36)

333

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.283. Распределение коэффициентов теплоотдачи по длине обтекаемой пластины при q=const и различных скоростях потока воздуха: точки – эксперимент; сплошная линия – расчет для ламинарного течения по (3.35); пунктирная линия – расчет для турбулентного течения по (3.36)

Рис.3.284. Схема тепловизионных измерений.

Тепловизионные картины распределения температур представлены на рис.3.285–3.289.

Из графиков видно характерное распределение температур по поверхности, вызванное нарастанием пограничного слоя.

Средняя температура вдоль средней линии термограммы практически точно совпадает со средней температурой, рассчитанной по всей исследуемой площадке пластины.

Зона измерений на гладкой пластине при скоростях выше 25 м/с соответствовала области ламинарно–турбулентного перехода или уже турбулентного течения, поэтому в связи со значительными значениями коэффициентов теплоотдачи здесь температуры поверхности были минимальны из всех измеренных.

334

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.285. Инфракрасная картина поверхности и распределение температур по поверхности при w0=44,81 м/с и плотности теплового потока qw=2570 Вт/м2.

Рис.3.286. Инфракрасная картина поверхности и распределение температур по поверхности при w0=35,52 м/с и плотности теплового потока qw=2600 Вт/м2.

Рис.3.287. Инфракрасная картина поверхности и распределение температур по поверхности при w0=25,28 м/с и плотности теплового потока qw=2660 Вт/м2.

335

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Вобласти скоростей до 25 м/с температуры поверхностей были значительны (60–85ºС) вследствие развития на поверхности еще ламинарных потоков. Во всех опытах плотность теплового поток практически одинакова.

Рис.3.288. Инфракрасная картина поверхности и распределение температур по поверхности при w0=16,8 м/с и плотности теплового потока qw=2690 Вт/м2.

Рис.3.289. Инфракрасная картина поверхности и распределение температур по поверхности при w0=11,52 м/с и плотности теплового потока qw=2690 Вт/м2.

Исследованные поверхности со сферическими выемками глубиной 3 мм и диаметром основания 10 мм, обеспечивающие относительную глубину выемок h/D=0,3, с шахматным расположение с шагом между рядами s=9 мм и шагом между центрами выступов t=13 мм показаны на рис.3.290.

На рис.3.291 и 3.292 показаны экспериментальные данные по местной теплоотдаче. Эксперименты проводились при постоянном тепловом потоке qw=2780–2809 Вт/м2 и скорости потока w0=27,33–46 м/с. На рисунках показаны инфракрасные картины распределения температур и графики распределения температур в выемках и между ними.

336

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.290. Схема размещения сферических выступов: глубина h=3 мм, диаметр основания D=10 мм, h/D=0,3, шаг между рядами s=6 мм, шаг между центрами выступов t=12 мм

Рис.3.291. Инфракрасная картина поверхности и распределение температур по поверхности при w0=27,33 м/с и плотности теплового потока qw=2780 Вт/м2: глубина h=3 мм, диаметр основания D=10 мм, h/D=0,3, шаг между рядами s=6 мм, шаг между центрами выступов t=12 мм

Анализ рис.3.291 подтверждает выше описанную модель турбулентного обтекания выемки. На дне выемки формируется обратное течение с формированием внутреннего пограничного слоя. Это показывает характерное изменение температуры – рост ее от задней кромке к передней по дну выемки. Минимальная температура наблюдается в области задней кромки в центральной части – в зоне точки присоединения потока. За выемкой формируется новый внутренний пограничный, что подтверждается характерным изменением температуры за выемкой с незначительным ростом температуры из-за роста толщины обновленного пограничного слоя. Для более подробного понимания картины течения выполнено рассмотрение температурных полей поперек потока в раз-

337

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

личных сечениях в окрестности системы выемок, показанное на рис.3.292.

сечение 14 сечение 13 Рис.3.292. Инфракрасная картина распределения температур по поверхности

при w0=27,33 м/с и плотности теплового потока qw=2780 Вт/м2: глубина h=3 мм, диаметр основания D=10 мм, h/D=0,3, шаг между рядами s=6 мм, шаг между центрами выступов t=12 мм

В ходе тепловизионных исследований кроме представленных распределений температур вдоль характерных линий был также проведен анализ температурных полей и плотностей распределения температур по характерным поверхностям при различных скоростях w0 и плотностях теплового потока qw.

338