Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

сечение 2 сечение 1 Рис.3.292 (продолжение). 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

339

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Это позволило провести анализ интенсификации среднего по поверхности с выемками коэффициента теплоотдачи q=α( tw –tf) ( tw – средняя темпера-

тура поверхности, tf – температура основного потока, q – плотность теплового потока).

Анализ средних коэффициентов теплоотдачи поверхностей при скорости основного потока w0≈12 м/с показывает увеличение коэффициента теплоотдачи для поверхности со сферическими выемками при h/D=0,3 в 6,5 раза по сравнению с гладким каналом. Данные результаты относятся к области ламинарно– турбулентного перехода на гладкой поверхности (Rex=(1,5–2,1).105). При скорости основного потока w0≈25,5 м/с (Rex=(5–6).105) для поверхности со сферическими выемками при h/D=0,3 увеличение теплоотдачи составило 3,77 раза по сравнению с гладким каналом. Полученные данные по повышению коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с ранее полученными данными при исследовании средних коэффициентов теплоотдачи.

Большой интерес представляет исследование локальной теплоотдачи на поверхности с одиночной выемкой. Это дает представление о механизмах интенсификации и обоснование выбора расстояния между выемками при их нанесении системой.

Были проведены исследования локальной теплоотдачи в окрестности одиночной сферической выемки с D=10 мм, h=5 мм, h/D=0,5 при изменении скорости основного потока в диапазоне w0=5,78–47,67 м/с (Reh=1730–14264, ReD=ρw0D/µ=3460–28527) при плотности теплового потока qw=3483 Вт/м2. На рис.3.293 показаны некоторые тепловизионные изображения исследованного рельефа.

Необходимо отметить, что именно на относительно «глубоких» выемках малых абсолютных размеров проявляются некоторые недостатки тепловизионного метода исследований. На изображении видны «местные» кольцевые перегревы в выемке, обусловленные оптическими наложениями сигналов (влияния практически вертикальных боковых поверхностей выемки).

Однако, несмотря на некоторое искажение изображения можно констатировать, что в выемке во всем диапазоне исследованных скоростей наблюдается характерное распределение температур для рециркуляционных зон. Температура понижается от начала выемки относительно направления течения основного потока к задней кромке. Температура на задней кромке минимальная, что обусловлено наличием здесь точки присоединения потока, имевшего отрыв в области передней кромки. Из–за наличия вихревых структур за выемкой, обновления пограничного слоя и повышенной теплоотдачи температура за выемкой ниже, чем на исходной гладкой поверхности. Влияние выемки на поток сохраняется на расстояние порядка 2D от выемки вниз по течению. Выемка оказывает интенсифицирующее воздействие на теплоотдачу и в поперечном направле-

340

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

нии к основному потоку. Зона влияния составляет до 0,5D от боковых кромок выемки в направлении поперек основному потоку. Описанное влияние выемок на теплоотдачу за ними позволяет утверждать, что оптимальными с точки зрения получения максимального повышения средней теплоотдачи является шахматное расположение выемок. В самой выемке теплоотдача на ¾ поверхности ниже, чем на исходно гладкой поверхности и лишь в окрестности зоны присоединения потока теплоотдача значительно выше.

Рис.3.293. Тепловизионные изображения поверхности с одиночной сферической выемкой с D=10 мм, h=5 мм, h/D=0,5 при плотности теплового потока q=3483 Вт/м2.

На рис.3.294 показаны тепловизионные изображения поверхности с одиночной сферической выемкой с D=15 мм, h=5 мм, h/D=0,33 при изменении скорости основного потока в диапазоне w0=6,92–38,72 м/с (Reh=2066–11537, ReD=6197–34611) при плотности теплового потока q=3667 Вт/м2.

341

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.294. Тепловизионные изображения поверхности с одиночной сферической выемкой с D=15 мм, h=5 мм, h/D=0,33 при плотности теплового потока q=3667 Вт/м2.

342

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Анализ изображений показывает, что картина обтекания h/D=0,33 аналогична описанной картине обтекания выемки h/D=0,5 за исключением числовых значений уровня температур и границ переходов режимов. Полученные данные полностью подтверждают ранее сформулированные и изложенные модели обтекания сферических выемок.

Рис.3.294 (продолжение). Тепловизионные изображения поверхности с одиночной сферической выемкой с D=15 мм, h=5 мм, h/D=0,33 при плотности теплового потока q=3667 Вт/м2.

На рис.3.295 показаны тепловизионные изображения поверхности с одиночной сферической выемкой с D=50 мм, h=4,5 мм, h/D=0,09 при изменении скорости основного потока в диапазоне w0=7,73–39,02 м/с (Reh=2079–10495, ReD=23102–116607) при плотности теплового потока q=3800 Вт/м2.

Для данной геометрии отмечены свои особенности. В первую очередь это описанный в предыдущих разделах режим с присоединением потока ко дну выемки как при ламинарных течения, так и при турбулентных. На рисунках хорошо видны зоны рециркуляции с пониженными температурами поверхности в них. Однако температура после области рециркуляции и точки присоединения также снижается, что говорит о росте теплоотдачи вплоть до задней кромки выемки относительно основного потока.

Это связано с ростом теплоотдачи в выемке, связанным с ростом давления в выемке по направлению к задней выемке, что было наглядно показано в работах С.А.Исаева, В.И.Терехова и др.

343

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.3.295. Тепловизионные изображения поверхности с одиночной сферической выемкой с D=50 мм, h=4,5 мм, h/D=0,09 при плотности теплового потока q=3800 Вт/м2.

344

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Как показывает сравнение с гладкой поверхностью, интенсификация теплоотдачи здесь достигает значений 10% при w0=15 м/с и 16% при w0=35 м/с. В основном это связано с повышенными значениями коэффициентов теплоотдачи в самой выемке.

Очевидно, что необходимо дальнейшее исследование теплоотдачи и картины обтекания «неглубоких» выемок с h/D<0,1. Полученные здесь данные показывают возможную перспективность именно «неглубоких» выемок.

345