CC BY
67
В. Я. Васильев
ФИЗИЧЕСКАЯ ОБЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РАЦИОНАЛЬНОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ
В каналах пластинчато-ребристых и трубчато-пластинчатых теплообменных поверхностей при определенных условиях реализуется процесс рациональной интенсификации конвективного теплообмена (РИКТ), при котором рост теплоотдачи №/Ыигл опережает рост или равен росту общих потерь давления ^гл по отношению к соответствующим характеристикам гладкого канала при идентичных геометрии профилей поперечных сечений каналов и режимах течения. РИКТ достигается в круглых каналах -трубах с поперечными канавками на наружной стороне и плавно очерченными выступами внутри [1], в некруглых каналах пластинчато-ребристых рассеченных теплообменных поверхностей за счет генерации вихрей при обтекании лобовой поверхности торцов ребер с острыми кромками [2-4], в некруглых каналах трубчато-пластинчатых с выступами и канавками теплообменных поверхностей, в которых перед сужением и расширением в потоке также периодически генерируются пристенные вихри [5, 6]. При этом дополнительная энергия искусственно генерируемых вихрей, имеющих масштаб, соизмеримый с толщиной пристенного слоя, подводится к потоку теплоносителя в основном в этом слое, где срабатывается весь или почти весь градиент поля скоростей и температур.
Рис. 1. Экспериментальные ПРрс и ПРгл теплообменные поверхности
В работе представлены результаты систематического экспериментального исследования десяти ПРрс (1...6 и 8...11) и одной ПРгл (7) теплообменных поверхностей с прямоугольными каналами, показанных на рис. 1, с геометрическими параметрами, представленными в табл. 1. Оценка РИКТ в каналах ПРрс поверхностей определялась сравнением с характеристиками ПРгл поверхности [7]. В результате исследования ПРрс (1.6) поверхностей с параметрами ôld = = 0,0777; h/u = 6,93 и l/d = variable (l/d = 0,65; 0,97; 1,30; 1,94; 2,77; 3,24) определены условия осуществ-
ления РИКТ, определяющейся выражением (Nu/Nurn)Re=idem/(2/^rn)Re=idem ^ > 1, установленні при (Nu/Num)^^^/^^)^^^ = 1 предел рационального уменьшения величины параметра рассечения каналов (l/d)min = 1,3 и достигаемая при значении Re = 2 400 величина (Nu/Nura)max = 2,6. При l/d < (l/d)mn коэффициент сопротивления £ увеличивается быстрее критерия Nu. В последующем исследовании ПРрс (8, 9, 3, 10, 11) поверхностей с параметрами (l/d)min = 1,3; (к/ы)Ср = 6,95 и 5/d = variable (5/d = 0,1138; 0,0912; 0,0777; 0,0658; 0,0580) установлены предел рационального уменьшения параметра относительной толщины ребра (5/d)min = 0,061 и достигаемая при соблюдении условия (Nu/Nura)Re=idem/(£/£,ra)Re=idem = 1 и значении Re = 4 400 величина (Nu/Nura)max = 2,78.
Т аблица 1
Основные геометрические параметры исследованных пластинчато-ребристых теплообменных поверхностей
Номер и тип поверхности d, мм h, мм hт, мм l, мм s, мм и, мм 6/d l/d h/u L/d
1 ПРрс 7,72 30,5 33,3 5,0 5,00 4,40 0,0777 0,65 6,93 19,43
2 ПРрс 7,72 30,5 33,3 7,5 5,00 4,40 0,0777 0,97 6,93 19,43
3 ПРрс 7,72 30,5 33,3 10,0 5,00 4,40 0,0777 1,30 6,93 19,43
4 ПРрс 7,72 30,5 33,3 15,0 5,00 4,40 0,0777 1,94 6,93 19,43
5 ПРрс 7,72 30,5 33,3 21,4 5,00 4,40 0,0777 2,77 6,93 19,43
6 ПРрс 7,72 30,5 33,3 25,0 5,00 4,40 0,0777 3,24 6,93 19,43
7 ПРгл 7,72 30,5 33,3 150,0 5,00 4,40 0,0777 19,43 6,93 19,43
8 ПРрс 5,27 21,0 23,1 6,9 3,60 3,00 0,1138 1,31 7,00 28,80
9 ПРрс 6,58 26,0 28,5 8,5 4,35 3,75 0,0912 1,29 6,93 21,96
10 ПРрс 9,12 36,0 39,2 11,8 5,80 5,20 0,0658 1,29 6,92 15,53
11 ПРрс 10,35 41,0 44,6 13,45 6,50 5,90 0,0580 1,30 6,95 14,30
В технике наряду с пластинчато-ребристыми широкое распространение получили трубчато-пластинчатые поверхности на основе коридорно-расположенных плоскоовальных трубок, к которым припаяны поперечные охлаждающие пластины [6]. Очевидно, что применение вместо гладких профилированных охлаждающих пластин, образующих ТПвк поверхность с прямоугольными каналами, позволяет без изменения существующей технологии изготовления создавать теплообменники с интенсификацией конвективного теплообмена. Значительное количество выпускаемых ТПгл теплообменников имеет короткие воздушные каналы (L/d = = 10___15), в которых отсутствует стабилизация потока и реализуется оп-
ределенный уровень интенсификации конвективного теплообмена, выражающийся в более высоких значениях коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления [6]. В результате оцениваемый при (Nu/Nura)Re=ldem/(Ç/£m)Re=idem = 1 величиной отношения (Nu/Nura)max уровень РИКТ в каналах ТПвк поверхностей по отношению к ТПгл поверхностям с L/d = 10_ 15 предположительно должен быть ниже, чем при их сравнении с ТПгл поверхностями с L/d = 20.. .25. Для получения уточненных оценок РИКТ в ТПвк теплообменных поверхностях с L/d ~ 10_ 13, показанных на рис. 2, было проведено исследование РИКТ в пятнадцати ТПвк поверхно-
стях, образованных прямоугольными каналами с плавно округленными двумерными поверхностями поперечных выступов и канавок соответственно с величинами L/d = 10,50 и 13,22 и значениями параметров: d*/d = = 0,813_0,953; l/d = 0,183.1,695; h/u = 1,739.2,449.
Рис. 2. Экспериментальная ТПВК теплообменная поверхность
Для оценки уровня РИКТ в каналах ТПвк поверхностей согласно [7] были исследованы также две ТПгл поверхности с величинами L/d = 10,50 и 13,22. Более подробно геометрические параметры ТПвк и ТПгл поверхностей представлены в табл. 2. Анализ результатов экспериментов показал, что в исследованных конструкциях каналов реализуется надежно управляемый изменением безразмерных геометрических параметров l/d и d*/d каналов процесс РИКТ, характеризующийся меньшими оценками (Nu/Nura)max, чем для случаев сравнения с ТПгл поверхностями с L/d = = 20. 25 [5]. В частности, при совместном рассмотрении зависимостей Nu/Nura = = f(d*/d) при l/d = const и Ç/^гл = = f(d*/d) при l/d = const, при (Nu/Nura)Re=idem/(^m)Re=idem = 1 для групп ТПвк поверхностей 1, 2, 3, 4 с l/d = = 0,230; L/d = 13,22 и 5, 6, 7, 8 с l/d = 0,596 и L/d = 13,22, 11, 12, 13 с l/d = = 0,183; L/d = 10,50 и 14, 15 с l/d = 1,347; L/d = 10,50 при Re = 2 000, соответственно имеют место оценки РИКТ (Nu/Nura)max при значениях d*/d: 1,27 при 0,89 и 1,17 при 0,88; 1,38 при 0,90 и 1,16 при 0,92.
Т аблица 2
Основные геометрические параметры исследованных трубчато-пластинчатых теплообменных поверхностей
Номер и тип поверхности d, мм d*, мм l, мм s, мм u, мм 4, мм d*/d l/d h/u L/d
1 ТПвк 6,96 6,44 1,60 5,0 4,9 0,6 0,925 0,230 2,449 13,22
2 ТПвк 6,96 6,22 1,60 5,0 4,9 0,8 0,894 0,230 2,449 13,22
3 ТПвк 6,96 6,00 1,60 5,0 4,9 1,0 0,862 0,230 2,449 13,22
4 ТПвк 6,96 5,77 1,60 5,0 4,9 1,2 0,829 0,230 2,449 13,22
5 ТПвк 6,96 6,33 4,15 5,0 4,9 0,7 0,909 0,596 2,449 13,22
6 ТПвк 6,96 6,11 4,15 5,0 4,9 0,9 0,878 0,596 2,449 13,22
7 ТПвк 6,96 5,87 4,15 5,0 4,9 1,1 0,846 0,596 2,449 13,22
8 ТПвк 6,96 5,66 4,15 5,0 4,9 1,3 0,813 0,596 2,449 13,22
9 ТПвк 6,96 5,89 11,80 5,0 4,9 1,1 0,846 1,695 2,449 13,22
10 ТПвк 6,96 5,66 11,80 5,0 4,9 1,3 0,813 1,695 2,449 13,22
11 ТПвк 8,76 8,35 1,60 7,0 6,9 0,6 0,953 0,183 1,739 10,50
12 ТПвк 8,76 8,00 1,60 7,0 6,9 1,0 0,913 0,183 1,739 10,50
13 ТПвк 8,76 7,82 1,60 7,0 6,9 1,2 0,893 0,183 1,739 10,50
14 ТПвк 8,76 8,26 11,80 7,0 6,9 0,7 0,943 1,347 1,739 10,50
15 ТПвк 8,76 8,09 11,80 7,0 6,9 0,9 0,923 1,347 1,739 10,50
16 ТПгл 6,96 6,96 92,0 5,0 4,9 0 1 13,22 2,449 13,22
17 ТПгл 8,76 8,76 92,0 7,0 6,9 0 1 10,50 1,739 10,50
В результате проведенного экспериментального исследования получены данные о влиянии основных геометрических параметров на тепловые и аэродинамические характеристики ПРрс и ТПвк теплообменных поверхностей с прямоугольными каналами в широком диапазоне изменения чисел Re = = 600. 10 000, определены условия осуществления и оценки процесса РИКТ. Полученные в настоящей работе и уже известные результаты исследований процесса РИКТ могут быть представлены достигаемыми при (Nu/Nura)Re=idem/(^/£m)Re=idem =1 оценками (Nu/Nura)max: 2,88 - круглые каналы с диафрагменными пережатиями [1]; 2,78 - прямоугольные каналы ПРрс поверхностей (5/d = 0,061; h/u = 6,93; L/d = 19,43; Re = 4 400) [автор]; 2,15 - треугольные каналы ПРвк поверхностей (d*/d = 0,797; h/s = 1,52; L/d = 23,6; Re = 1 700) [5]; 1,45 - треугольные каналы ПРрс поверхностей (оценка получена экстраполяцией опытных данных в сторону меньших значений параметра рассечения, 5/d = 0,0287; h/s = 1,06; L/d = 20,1; Re = = 1 250) [2], 1,38 - прямоугольные каналы ТПвк поверхностей (d*/d = 0,90; h/u = 1,739; L/d = 10,50; Re = 2 000) [автор]. Отличие оценок (Nu/Nura)max для рассмотренных каналов некруглого поперечного сечения объясняется отрицательным влиянием на РИКТ угловых ламинаризованных зон. Это влияние в большей степени проявляется для каналов с острыми углами между гранями (треугольник, близкий к равностороннему, h/s = 1,06) и в меньшей степени - для прямоугольных каналов с высоким значением параметра щелевидности h/u = 6,93.
При увеличении параметра щелевидности каналов треугольного профиля и радиуса округления углов между гранями при вершине отрицательное влияние на теплообмен угловых ламинаризованных зон уменьшается. Этим объясняется большее значение отношения (Nu/Nura)max = 2,1 для треугольных каналов с h/s = 1,52 , чем для треугольных каналов с h/s = = 1,06. Отрицательное влияние угловых ламинаризованных зон на теплообмен отсутствует в каналах круглой формы, поэтому наибольшее значение (Nu/Nura)max = 2,88 получено для круглых каналов с диафрагменными пережатиями. Меньшие значения отношения (Nu/Nura)max в некруглых каналах объясняются также и тем, что часть периметра канала, например, относящаяся к плоской трубке ПРрс поверхности, не может создавать аэродинамического эффекта входного вихря. По этой же причине, а также в связи с отсутствием стабилизации потока в каналах гладкоканальных поверхностей с L/d ~ 10.13 в прямоугольных каналах ТПвк поверхностей получена сравнительно невысокая оценка (Nu/Nura)max = 1,38.
Проведенный анализ значений (Nu/Nura)max, полученных в каналах круглого, прямоугольного и треугольного поперечных сечений, позволяет заключить, что процесс РИКТ обладает широкой физической общностью для каналов различных профилей поперечных сечений.
Условные обозначения
a, b - ширина и толщина плоскоовальной трубки, м; d, d* - эквивалентный диаметр канала соответственно на гладком участке и в самом узком его сечении, м; h - высота канала, расстояние между плоскими стенками смежных плоскоовальных трубок, м; h - термически активная высота ребра, м; L - общая длина теплообменной поверхности по ходу воздуха, м; l - длина ребра по ходу воздуха, расстояние между смежными поперечными выступами и канавками, м; t - шаг трубок, м; и - расстояние между ребрами, м; R - радиус округления угла при вершине треугольного сечения поперечных выступов и канавок, м; s - шаг ребер, м; S - толщина ребра, м; 5п - высота двухсторонних выступов, м; £,, £,гл _ коэффициент общих потерь давления на вход, выход и трение соответственно в каналах поверхностей с искусственной турбулизацией и в гладких каналах; ф -угол наклона поверхности выступов к направлению осредненного потока; d*/d - степень сужения сечения канала; h/u - параметр щелевидности канала; l/d - параметр рассечения, относительная длина гладкого участка канала между смежными поперечными выступами и канавками; L/d - относительная длина теплообменной поверхности по ходу воздуха; S/d - относительная толщина ребра; Nu, Nura - критерий Нуссельта соответственно в каналах поверхностей с искусственной турбулизацией и в гладких каналах; Re - критерий Рейнольдса; idem - одинаковый; max, min - максимальное и минимальное значения; ср - среднее значение; ПРвк - пластинчато-ребристый с выступами и канавками; ПРрс - пластинчато-ребристый рассеченный; ТПвк - трубчато-пластинчатый с выступами и канавками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в кана-
лах. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.
2. Воронин Г. И., Дубровский Е. В. Эффективные теплообменники. - М.: Машино-
строение, 1973. - 93 с.
3. Dubrovsky E. V. Vasiliev V. Ya. Enhancement of Convective Heat Transfer in Rec-
tangular Ducts of Interrupted Surfaces // Int. J. Heat and Mass Transfer, 1988. -Vol. 31, № 4, - P. 807-818.
4. Васильев В. Я. Применение рассеченных поверхностей для повышения эффек-
тивности воздушных конденсаторов // Холодильная техника. - 1989. - № 8. -С. 32-37.
5. Дубровский Е. В. Интенсификация конвективного теплообмена в пластинчато-
ребристых теплообменных поверхностях // Энергетика и транспорт: Известия АН СССР. - 1978. - № 6. - С. 116-127.
6. Dubrovsky E. V., Vasiliev V. Ya. Heat Transfer Enhancement in Short Rectangular
Channels with Transverse Projections and Grooves. - Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. —Crete Island, Greece, 2003. -P. 163-168.
7. Dubrovsky E.V., Vasiliev V.Yu. A Method for Relative Comparison of Thermohy-draulic Efficincies of Heat Transfer Surfaces and Heat Exchangers. - Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. - Davos, Switzerland. 2001, - P. 159-168.
