Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ным положением на теплообменной поверхности. Однако принцип функционирований у них одинаков и основан на создании дискретно расположенных на поверхности локальных зон отрыва пограничного слоя. Эти отрывные пристенные течения способствуют обновлению пограничного слоя, увеличению его степени турбулентности. В результате увеличивается тепловой поток по нормали к поверхности стенки.

Начиная с 80-х годов значительную популярность среди специалистов, занимающихся интенсификацией теплообмена, приобрели дискретные поперечные выступы, выполняемые на внутренней поверхности трубок теплообменников. Этот способ турбулизации пристенного течения технологичен и обладает высокой энергетической эффективностью.

Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер и др. впервые показали возможность опережающего роста теплоотдачи по сравнению с увеличением гидравлического сопротивления. Этот интересный результат был продемонстрирован на круглых каналах с поперечными полукруглыми кольцевыми выступами. Уровень интенсификации теплообмена при нем достигал 2,9 раз [7].

Однако использование кольцевых полукруглых выступов не решает всех проблем интенсификации теплообмена. В ряде типов теплообменных устройств наряду с дискретными кольцевыми выступами широко используются и другие способы пристенной интенсификации теплообмена, например с помощью сферических выемок. Интерес к такому способу интенсификации теплообмена особенно проявился после публикации результатов исследований Г.И.Кикнадзе с соавторами, в которых продемонстрирована высокая энергетическая эффективность системы нанесенных на поверхность канала сферических выемок. Авторы объясняют этот факт самоорганизацией в сферических выемках смерчеобразных вихревых структур. После опубликования Г.П.Нагогой положительных результатов использования систем сферических выемок в трактах охлаждаемых турбинных лопаток интерес к этому способу интенсификации теплообмена еще более возрос. Уровень интенсификации теплообмена в таких каналах достигает 2...4,5 раз при практическом сохранении гидросопротивления. По мнению академика А.И.Леонтьева интенсификация теплообмена сферическими выемками имеет перспективу, однако в условиях самоорганизующихся смерчеобразных вихревых структур требует новых подходов к описанию турбулентного теплообмена.

Среди существующих интенсификаторов теплообмена наиболее перспективными, с точки зрения достижения высокого уровня теплообмена, являются пористые материалы, которые позволяют интенсифицировать теплоотдачу в 10... 100 раз при высокой технологичности изготовления и возможности использования. Интенсификация теплообмена обеспечивается в пороматериалах значительным развитием поверхности, эффективным перемешиванием теплоносителя в порах и высокой интенсивностью теплообмена в пристенных порах. Но вместе с тем необходимо отметить, что в данном случае интенсификация связана со значительным ростом гидравлических потерь, приводящих к снижению экономической ценности применения пористых интенсификаторов. Сейчас

50

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ведутся интенсивные исследования в области получения пористых структур и способов их применения, обеспечивающих низкий уровень гидропотерь при сохранении высокого уровня теплообмена. Среди имеющихся в настоящее время пористых структур необходимо выделить как наиболее перспективные - высокопористые ячеистые материалы, упорядоченные пористые материалы, щеточные, вафельные и щелевые структуры, перекрестные микроканалы, сетчатые и пружинные пороматериалы, зернистые засыпки. Результаты исследований возможностей использования пористых материалов в теплообменном оборудовании изложены в трудах А.Е.Берглса, П.Е.Мегерлина, К.Уебба, В.В.Харитонова, В.Н.Анциферова, С.В.Белова, Л.Л.Васильева, Ю.А.Зейгарника, В.А.Майорова, В.И.Субботина, В.М.Поляева и многих других.

В последние годы увеличился интерес к микроканальным теплообменным аппаратам и устройствам, к капиллярной гидродинамике и теплообмену в них. Это вызвано бурным развитием электроники и медицины, миниатюризацией устройств в аэрокосмической индустрии, энергетике, транспорте и т.д. Мини– и микроканалы широко распространены в биологических системах. Для охлаждения микроэлектронного оборудования используются и разрабатываются миниатюрные тепловые трубы, микро– и миниканалы с однофазным и двухфазным течениями. Промышленностью выпускаются портативные персональные компьютеры с жидкостными системами охлаждения.

Существуют несколько основных классификаций каналов: по С,С.Мехендалю, А.М.Якоби и Р.К.Шаху (2000 г.) – каналы диаметром 1 – 100 мкм относятся к микроканалам, 100 мкм – 1мм – мезоканалы, 1 – 6 мм – к макроканалы, более 6 мм – конвективные каналы; по С.Дж.Кандиикару (2001 г.) – 50 – 600 мкм – микроканалы, 600 мкм – 3 мм – миниканалы, более 3 мм – конвективные каналы; по С.Дж.Кандиикару и С.Джоши (2003 г.) – 10 – 200 мкм – микроканалы, 200 мкм – 3 мм – миниканалы, более 3 мм – конвективные каналы.

Малые диаметры микроканалов позволяют обеспечить высокие коэффициенты теплоотдачи в них (при течении жидкости – более 7000 Вт/(м2К), при течении газа – более 400–2000 Вт/(м2К)). Отличительной особенностью микроканалов является и возможность создания микротеплообменников с высокой компактностью (свыше 1500 м2/м3). В каналах малых диаметров в основном реализуется ламинарный режим течения, т.е. потери давления ∆Р пропорциональны среднерасходной скорости

Рис.1.29. Схемы витых микротеплообменников потока в микроканале w1, по

51

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рис.1.34. Щеточные микропористые структуры: а и б – медные микроребра; в – силиконовые микроребра; г – карбоновые нанотрубки.

Рис.1.35. Микропористая структура из дендритных частиц при различных увеличениях (×100–×5000 раз).

53

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ГЛАВА 2. ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСКРЕТНО ШЕРОХОВАТЫХ КАНАЛОВ

2.1.Дискретно шероховатые каналы, их эффективность

Во всех действующих и перспективных энергосиловых установках ПТУ, ГТУ, ПГУ, ЯЭУ, в установках на возобновляемых источниках энергии теплообменное оборудование составляет основную или существенную часть по габаритам, металлоемкости, функциональному значению и во многом определяет общие технико-экономические показатели установок. Следовательно, в настоящее время и в перспективе один из главных, технически и экономически наиболее доступных и обоснованных путей повышения экономичности энергоустановок – совершенствование теплообменного оборудования, которое можно осуществить за счет использования эффективных способов интенсификации теплообмена.

Для широкого промышленного внедрения для кожухотрубчатых теплообменников наиболее целесообразна интенсификация теплообмена посредством искусственной дискретной шероховатости (рис.2.1), формируемой на стенках каналов в процессе их производства или последующей доработки [2– 6]. Элементы шероховатости, например выступы, турбулизируют пристенную зону течения и стимулируют процесс теплопереноса около стенки. Интенсификация теплообмена позволяет увеличить количество тепла, передаваемого через единицу площади поверхности теплообмена. Соответственно, улучшаются и массогабаритные характеристики теплообменника. Рационально выбранные параметры интенсификаторов теплообмена обеспечивают более выгодное соотношение между переданным количеством тепла Q и мощностью прокачивания теплоносителей N в интенсифицированном аппарате по сравнению с гладкостенным оборудованием. Соответственно возрастает энергетический коэффициент интенсифицированного

54

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

теплообменника E = Q / N – основной показатель (теплогидравлической, экономической) эффективности теплообменного оборудования [3–5]. При этом достигается эффект энергосбережения, т.е. экономия расхода электроэнергии или топлива на собственные нужды энергоустановки.

Основываясь на острой необходимости энергосбережения и экономии материалов, следует считать, что использование интенсификации теплообмена во вновь проектируемых аппаратах целесообразно лишь в том случае, если вы-

полняются условия E > Eгл, α > αгл , где α, αгл– коэффициенты теплоотдачи

для интенсифицированного и гладкостенного каналов. Соответственно, принципиальная задача проектирования интенсифицированного теплообменного оборудования заключается в поиске варианта изделия, удовлетворяющего условию E = Emax > Eгл.

Промышленное изготовление интенсифицированных по теплообмену посредством искусственной шероховатости каналов, например труб с регулярно расположенными периодическими поперечными кольцевыми выступами вдоль внутренней поверхности стенки трубы, технологически наиболее просто осуществить с помощью накатки. В результате снаружи трубы получаются кольцевые канавки, которые интенсифицируют теплообмен в межтрубном потоке [2,6,7]. Трубы такого типа классифицируются как дискретно шероховатые каналы. Зарубежные фирмы (Япония, Англия и др.) производят их серийно для нужд энергомашиностроительных компаний. Согласно технологии накатки, разработанной ВНИИМЕТМАШ, стоимость накатки выступов не превышает нескольких процентов от стоимости труб [7].

Сравнение эффективности различных интенсификаторов теплообмена на основе энергетического коэффициента в форме В.И. Антуфьева E' = Q / N ∆t , записанного в относительном виде E' = E' / E'гл (∆t – температурный напор по- ток–стенка; E' и E'гл– коэффициенты для интенсифицированного и гладко-

стенного каналов), показало, что в турбулентном режиме, в преобладающей части технически интересного и экспериментально исследованного диапазона

чисел Re = WD/ v =104 −4 105 низкие поперечные кольцевые выступы обла-

дают максимальной эффективностью [8]. Для оптимальных размеров выступов достигаются следующие предельные эффекты интенсификации теплообмена:

E' =1.26; Nu/Nuгл =1.61. Во всем диапазоне чисел Re оптимальные размеры выступов обеспечивают Nu/Nuгл > ξ/ ξгл, т.е. нарастание теплоотдачи за счет

выступов опережает увеличение гидросопротивления дискретно шероховатого канала относительно гладкого. Здесь и далее обозначения традиционные: Re; Nu = αD / λ – числа Рейнольдса и Нуссельта; ξ– коэффициент сопротивления

канала; W – скорость. С точки зрения промышленного применения необходимо заметить, что оптимальные шаги выступов достаточно большие: t / h = 50 −100 , а высота их мала: h / D = 0.01−0.02 (h, t – высота и шаг выступов; D – внутрен-

ний диаметр по гладкой части канала). Эти предпочтительные параметры вы-

55

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ступов t / h и h / D вполне приемлемы по соображениям технологии производства, стоимости накатки выступов и сохранения прочности исходной гладкой трубы, т.к. операция накатки характеризуется малой деформацией стенки трубы.

Итак, анализ теплогидравлических свойств дискретно шероховатых каналов приводит к заключению, что при турбулентном течении теплоносителей в каналах интенсификаторы теплоотдачи в форме поперечных выступов могут сократить расход электроэнергии на собственные нужды энергоустановки на 5–26 %. Одновременно экономия материалов на изготовление трубного пучка теплообменника составит 30–61 % в зависимости от значения числа Re [8].

В номинально ламинарной области течения, в диапазоне Re=80–1000, соответствующем режимам работы реального теплообменного оборудования, дискретные поперечные выступы также являются максимально эффективными интенсификаторами теплообмена [9]. Энергосберегающий и ресурсосберегающий потенциалы дискретно шероховатых каналов в ламинарном режиме значительно выше, чем в турбулентном. При оптимальных геометрических параметрах выступов ( h / D = 0.1; t / h = 6.6) экономия энергии на прокачивание теплоносителей через теплообменник может составить 16–272%, что соответствует

E' =1.16 −3.72. Масса трубного пучка теплообменника может быть уменьшена многократно – в 1.96–6.51 раз ( Nu / Nuгл =1.96 − 6.51) в зависимости от кон-

кретных величин чисел Re. Необычно значительный экономический эффект объясняется тем, что интенсификация теплоотдачи Nu/Nuгл в несколько раз (в

1.25 – 3 раза) превышает нарастание гидросопротивления ξ/ ξгл.

Необходимо обратить внимание на одно важное обстоятельство. Размеры экономии энергии и материалов, определенные при сравнении теплообменников, приведены для условия одинаковых скоростей течения теплоносителей в каналах гладкостенных (серийных) и интенсифицированных теплообменных аппаратов [8,9]. Указанное условие соответствует, в частности, ситуации модернизации действующих теплообменников за счет внедрения в их конструкцию интенсифицированных каналов. При проектировании нового интенсифицированного теплообменного оборудования, когда инженер-конструктор свободен в выборе скорости теплоносителя, эффекты экономии могут возрасти в несколько раз [8,9].

Обобщая результаты анализа по возможности повышения теплогидравлического совершенства теплообменников за счет применения интенсификации теплоотдачи с помощью выступов при турбулентном и ламинарном течении теплоносителей в каналах, необходимо в соответствии с работой [4] заключить, что применение гладких круглых труб (неинтенсифицированных каналов) для жидкостей и газов с Pr>0.6 нерационально. Это приводит к значительному увеличению металлоемкости и снижению основной удельной характеристики теплообменного оборудования – коэффициента E.

Для оценки вероятного суммарного позитивного экономического эффекта от широкомасштабного внедрения дискретно шероховатых каналов в конст-

56

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

рукцию теплообменного энергооборудования необходимо учитывать перспективы развития теплоэнергетики и возможные области применения таких интенсифицированных каналов.

Современная тенденция развития энергетики – укрупнение теплообменников. Например, трубная система воздухоподогревателя энергоблока 800 МВт для канско-ачинского угля имеет массу 2500 т. Конденсатор паровой турбины К-800-240-4 состоит из двух корпусов, общая площадь их поверхности теплообмена 41200 м2, длина одного корпуса 12 м. Расход охлаждающей воды через конденсатор – 73000 м3/ч. Масса конденсатора – 1100 т, масса трубной системы 366 т. На привод циркуляционных насосов, прокачивающих охлаждающую воду через конденсатор, затрачивается до 1% мощности энергоблока. Мощность, необходимая для прокачивания теплоносителей через все теплообменники ТЭС (затраты на собственные нужды), достигает 10% общей мощности станции. Очевидно, что изготовление таких теплообменников и прокачивание теплоносителей через них требует больших затрат природных ресурсов (топлива, руд металлов, нерудных ископаемых, кислорода атмосферного воздуха). При этом процессы производства и эксплуатации теплообменного оборудования сопровождаются загрязнением окружающей среды.

Интенсификаторы теплообмена в форме поперечных выступов могут продуктивно использоваться в конденсаторах паровых турбин ТЭС и АЭС, в сетевых подогревателях, в подогревателях систем регенерации тепла паровых турбин ТЭС и АЭС, в обращенных воздухоподогревателях котлов ТЭС, в охлаждающих каналах лопаток высокотемпературных газовых турбин стационарных ГТУ, авиационных ГТД, в лопатках паровых турбин, в воздухоподогревателях ГТУ, в теплообменниках систем теплоснабжения, в газоохлаждаемых и водоохлаждаемых ядерных реакторах и во многих других случаях в различных отраслях промышленности [2–25].

Высокая энергосберегающая возможность дискретно шероховатых каналов, их способность обеспечить значительную экономию конструкционных материалов, внушительные массогабаритные характеристики современных теплообменников и широкая область теплообменного оборудования, в котором целесообразно использовать интенсифицированные каналы, убеждают в экономической необходимости скорейшего и широкого внедрения в технику каналов с поперечными выступами. Повышение технико–экономических показателей энергооборудования за счет внедрения труб с накатанными выступами является малозатратной и быстроокупаемой энерготехнологией. Это особенно важно на настоящем этапе развития отечественной энергетики, когда ТЭК находится в состоянии серьезного экономического кризиса и испытывает острый дефицит в значительных инвестициях [26].

В энергетике исключительно актуальна проблема загрязнения и чистки теплообменного оборудования. Существующие технологии чистки неразрывно связаны с затратами труда, дополнительного расхода топлива, химреактивов, с вопросами охраны окружающей среды. Экспериментально обнаружено, что при турбулентном обтекании водой повышенной жесткости наружной и внутренней

57

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

поверхности труб с накатанными выступами солеотложение снижается в 3–5 раз по сравнению с гладкой трубой [2,6,7]. В трубе с выступами загрязнения откладываются эквидистантно исходный поверхности, эффект интенсификации теплообмена сохраняется в загрязненной трубе и даже может возрастать [6, 7]. Вероятно, возможна эксплуатация теплообменников с интенсификаторами теплообмена без операций очистки аппаратов в течение всего периода работы, так как толщина загрязнений в трубе с выступами после некоторого промежутка времени работы практически стабилизируется на допустимом уровне. Очевидно, что указанное свойство труб с выступами служит дополнительным аргументом в пользу их применения в промышленности.

Целенаправленное и обоснованное во всех отношениях внедрение каналов с поперечными выступами в технику требует знания существа механизмов переноса тепла и импульса на стенках таких каналов. Необходимо наличие надежных моделей и методов теплогидравлического расчета обсуждаемых каналов, а также полноценных сведений, описывающих все возможные особенности течения и теплообмена в этих каналах.

Общие физические принципы, связываемые в литературе с процессом турбулизации потока, которые лежат в основе механизма интенсификации теплоотдачи посредством поперечных выступов, известны длительное время. Однако количественные соотношения для теплогидравлического расчета каналов в широком диапазоне изменения геометрических параметров выступов (высота, шаг, форма поперечного сечения) и гидродинамических условий течения определены пока далеко не в полном объеме [2–5,17,18]. Объясняется это отсутствием строгих аналитических моделей и методов расчета, и недостаточной разработкой приближенных методов расчета. Существует также дефицит экспериментальных исследований, в том числе относительно детального выяснения существа механизма интенсификации теплообмена, а также возможных мало изученных особых гидродинамических режимов течения в каналах с поперечными выступами.

2.2.Модели и методы расчета дискретно шероховатых каналов

2.2.1.Турбулентный режим, осредненный подход

Интенсификация теплообмена выделилась в отдельную важную специальную область теплообмена. Теория интенсификации теплообмена находится в процессе развития, что справедливо, в частности, и для расчета явлений переноса около дискретно шероховатых поверхностей. Гидродинамическая картина течения в каналах с поперечными выступами при наличии отрыва и рециркуляции потока около выступов отличается исключительной сложностью и соответствующими математическими затруднениями при попытках строгого описания переноса тепла и импульса (особенно турбулентного) в таких каналах. Наиболее достоверный теплогидравлический расчет каналов с выступами основывается пока на эмпирических уравнениях подобия, полученных в фундаменталь-

58

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ных исследованиях [2–4] и ряде других работ, например, [5,27–32]. Очевидно, что эмпирические уравнения подобия справедливы в ограниченном диапазоне геометрических параметров выступов, свойств теплоносителей и условий течения, поэтому в литературе существуют недостаток расчетных соотношений.

При отсутствии адекватного математического описания взаимодействия турбулентного потока с дискретно шероховатой стенкой канала моделирование гидродинамической картины течения и процессов тепломассообмена в этих условиях возможно только на основе приближенных представлений (подходов).

Для описания структуры потока и построения методов расчета используются два принципиально различных подхода.

Первый подход базируется на следующих предположениях. Течение около стенки с дискретными поперечными выступами значительно изменяется под влиянием выступов по сравнению с течением на гладкой поверхности. Размеры выступа шероховатости характеризуются высотой h, шероховатая поверхность может быть заменена некоторой условной эффективной плоской поверхностью (от которой отсчитывается поперечная координата y), влияние выступов на поток рассматривается не как локальное, а как осредненное вдоль потока. Под воздействием шероховатости профиль скоростей около стенки видоизменяется. Однако из опытов следует, что на шероховатой стенке остаются справедливыми логарифмический профиль скоростей, формула Прандтля для турбулентного трения, распределение величины пути перемешивания поперек пограничного слоя на шероховатой и гладкой стенках одинаково, не изменяется и значение константы χ [33–38] в профиле скоростей. Непосредственно у стенки формируется слой влияния шероховатости толщиной

y / h < 2, y+ < 30 .

Это – область течения, где существенно значительное воздействие выступов на гидродинамику потока [33], а касательное напряжение трения переменно

ская скорость; ν – кинематическая вязкость).

Далее от стенки для описания течения можно использовать приближение слоя постоянного касательного напряжения трения с логарифмическим профилем скорости. Слой влияния шероховатости со слоем постоянного напряжения трения объединяются пристенной зоной течения, над которой существуют внешняя часть течения пограничного слоя, почти не подвергающаяся влиянию шероховатости.

Следовательно, пограничный слой на шероховатой поверхности представляется состоящим из двух областей: внутренней области вблизи стенки, распределение скоростей в которой полностью зависит от местных параметров потока, и внешней области, расположенной дальше от стенки. Здесь прямой эффект вязкости незначителен, и в пределах точности эксперимента закон дефекта скорости остается универсальным для гладкой и шероховатой стенок.

59