CC BY
72
УДК 621.9
В. Я. Васильев Астраханский государственный технический университет
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАЦИОНАЛЬНОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КАНАЛАХ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ И ТРУБЧАТО-ПЛАСТИНЧАТЫ1Х ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Введение
Наиболее доступным и широко распространённым способом интенсификации теплоотдачи со стороны среды с меньшим значением коэффициента теплоотдачи в ТА является развитие поверхности теплообмена. Когда оребрение представлено системой некруглых каналов, как это имеет место в широко распространённых в инженерной практике гладкоканальных пластинчато-ребристых ТП, при соответствующем профилировании каналов и различных типах турбулизаторов на стенках оребряющей насадки наряду с развитием поверхности можно весьма существенно интенсифицировать конвективный теплообмен искусственной турбулизацией потока, омывающего насадку теплоносителя. Пластинчато-ребристые теплообменные поверхности представлены каналами различной формы поперечного сечения со стенками (рёбрами): гладкими непрерывными; гладкими прерывистыми (рассечённые ТП); с периодически расположенными диафрагменными пережатиями; с периодически расположенными выступами и канавками (диффузорно-конфузорные ТП); жалюзийными; волнистыми; перфорированными. Конструкторы ТА с указанными или им подобными насадками опираются исключительно на экспериментальные данные, в связи со сложностями аэродинамики и механизма теплообмена, не поддающимися пока анализу методами теории пограничного слоя [1].
Однако ограниченные технические возможности системного изменения геометрических размеров изготавливаемых для исследования ТП в большинстве случаев придают экспериментальным результатам частный характер, что весьма затрудняет или делает невозможным проведение анализа влияния отдельных определяющих безразмерных геометрических параметров на теплоаэродинамическую эффективность и выбор наиболее рациональных для практики диапазонов изменения значений параметров ТП при проектировании ТА.
Анализ величин оценки [^и^игл)РИКТ]тах процесса РИКТ в прямоугольных каналах пластинчато-ребристых ТП
В теоретической и экспериментальной гидродинамике известны два способа генерации вихрей в пристеночном слое течений в каналах: на уча-
стках диффузорно-конфузорных течений при соответствующих углах раскрытия диффузора и при обтекании плохообтекаемых тел. Использование этих способов для искусственного вихреобразования позволяет разрабатывать новые конструкции высокоэффективных ТП, в некруглых каналах которых реализуется процесс РИКТ, при котором рост относительных тепловых характеристик Nu/Nura = /(Re) опережает рост или равен росту относительных аэродинамических характеристик 2/^л = ./(Re) в сравнении с идентичными по геометрии гладкими (т. е. без турбулизаторов) каналами при одних и тех же режимах течения теплоносителя. Первый способ искусственного вихреобразования реализуется как в круглых каналах с периодическими диафрагменными пережатиями сечения после обкатки труб роликами [2, 3], так и в некруглых каналах с периодически расположенными поперечными выступами и канавками [4], второй - в некруглых рассечённых каналах [5-7]. Генерация вихрей, на внешней границе которых происходит основная выработка турбулентности, обусловливает в некруглых каналах ТП обоих типов отрыв потока теплоносителя от стенки с последующим его присоединением и повторным развитием пограничного слоя с резко возросшими и сравнительно медленно затухающими турбулентными параметрами. Анализ результатов систематических экспериментальных исследований тепловых и гидро- или аэродинамических характеристик круглых с диафрагменными пережатиями, а также треугольных с периодически расположенными поперечными выступами и канавками и рассечённых каналов подтвердил реализацию процесса РИКТ, определяющегося условием (Nu/Nu^Re=jdem/(^/^)r e=idem ^ 1 и надёжно управляемого изменением значений основных безразмерных геометрических параметров l/d, d*/d и S/d каналов. Для указанных случаев при значении определяющего комплекса (Nu/Nu^^id^/^^V^id^ @ 1 были получены оценки процесса РИКТ [(Nu/Num/pHKiJmax: 2,88 - круглые каналы с диа-фрагменными пережатиями (d*/d = 0,875, s/d = 0,496, L/d = 114, Re = 2 000) [3]; 2,15 - треугольные каналы ПРвк ТП (d*/d = 0,797, h/s = 1,52, L/d = 23,6, Re = 1 700) [4]; 1,45 - треугольные каналы ПРрс ТП (S/d = 0,0287, h/s = 1,06, L/d = 20,1, Re = 1 250; оценка получена экстраполяцией опытных данных в сторону меньших значений параметра рассечения) [6]. Однако отсутствие результатов систематических экспериментальных исследований теплоаэродинамических характеристик ТП с реализацией вихреобразования указанными выше способами в прямоугольных каналах оставляет возможность оценивать величину [(Nu/Nu^^^t]™« предполагаемого процесса РИКТ лишь приблизительно на основании более или менее удачного подбора пар сравниваемых интенсифицированной и гладкоканальной пластинчато-ребристых ТП. Для выполнения такого сравнения были подобраны теплообменные поверхности с рассечёнными [5, 7], разрезными [8] и гладкоканальными [5, 7, 8] пластинчаторебристыми насадками, из которых, при проведении оценочного сравнения, выбирались несколько пар теплообменных поверхностей с наиболее близкими значениями определяющих безразмерных геометрических параметров h/u и S/d, приведёнными в табл. 1 [5, 7, 8]: ТП с турбулизацией потока теплоносителя (рассечённая или разрезная) и гладкоканальная ТП, по
отношению к характеристикам которой, согласно методике сравнения [9], определялись графические зависимости = /(Ке), Ки/Кигл = /(Яе)
и (Ки/Кигл)/(^/^гл) = Т(Яе), представленные на рис. 1.
Таблица 1
Основные геометрические параметры ПРрс, ПРрз и ПРгл ТП
Г руппы и типы ТП d, мм ô/d l/d h/u L/d
1 ПРрс [5] ПРгл [5] 3,41 3,52 0,0299 0,0577 0,70 3,61 3,47 -57,8
2 ПРрс [5] ПРгл [5] 1,61 5,54 0,0944 0,0458 3,94 1,70 1,86 -55,0
3 ПРрс [5] ПРгл [5] 1,61 8,50 0,0944 0,0956 3,94 1,70 2,24 -35,5
4 ПРрс [5] ПРгл [5] 2,64 5,54 0,0382 0,0458 1,71 2,20 1,86 -55,0
5 ПРрс [7] ПРгл [7] 4.64 4.64 0,0323 0,0323 0,32 1.50 1.50 -
6 ПРрз [8] ПРгл [8] 5.56 5.56 0,0360 0,0360 7,19 10,00 10,00 44,1 46,8
ПРрс ТП групп 1 [5] и 5 [7] обеспечивают высокие значения оценки (Nu/Nura)max, соответственно, равные 3,18 и 3,61 (рис. 1, кривые 1 и J). Однако в каналах этих ТП процесс РИКТ не реализуется во всём диапазоне исследования по числам Рейнольдса. Для ПРрс ТП групп 2 и 4 [5] (рис. 1, кривые 2 и 4) при значениях определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=idem/(Z/Zm)Re=idem ^ 1 получены значения [(Nu/Nu^'W^ax, соответственно равные 2,22 и 2,98 при значении критерия Re = 2 000. Наименьшее значение оценки (Nu/Nura)max, причём при отсутствии процесса РИКТ во всём диапазоне исследования по числам Рейнольдса при значительных величинах параметров l/d = 7,19 и h/u = 10, получено для ПРрз ТП группы 6 [8] (кривая 6 на рис. 1) с разрезными прямоугольными каналами и наклоном чётных рядов рёбер под углом 15° к вертикали.
Следует отметить, что из-за неполного соответствия величин определяющих безразмерных геометрических параметров для ПРгл ТП групп 2 и 3 (большие чем для ПРрс ТП значения параметра h/u (табл. 1) значения оценки [(Nu/NurayWKT]max, равные соответственно 2,22 и 1,81, являются заниженными. По причине меньшего значения параметра h/u и большего значения параметра S/d для ПРгл ТП (см. табл. 1), для ПРрс ТП группы 4 значение оценки [(Nu/Nuгл)//pИКT]max = 2,98 является завышенным. Несмотря на некоторый разброс количественных оценок и качественное отличие характера протекания отдельных безразмерных тепловых и аэродинамических характеристик, полученные приближённые значения оценки [(Nu/Nura)Wo']max указывают на весьма вероятную перспективность реализации процесса РИКТ в прямоугольных каналах. Это подтверждается и визуальными наблюдениями перехода от ламинарного течения теплоноси-
теля к турбулентному в канале треугольной формы [10], в ходе которых было установлено, что вплоть до значения критерия Re = 7 500 в угловых зонах существуют области устойчивого ламинарного режима течения теплоносителя. Следовательно, для каналов некруглого поперечного сечения значения критерия N. и коэффициента £ есть комплексные значения этих величин для ламинарного и турбулентного режимов течений, одновременно существующих в сечении канала, причём с увеличением значений критерия Re уменьшается доля поверхности некруглого канала, омываемая устойчивым ламинарным течением в угловых зонах. Поскольку отрицательное влияние угловых ламинаризованных зон на теплообмен тем больше, чем меньше угол между гранями канала, создание пластинчато-ребристых ТП с прямоугольными каналами, характеризующимися высоким значением параметра щелевидно-сти Ь/ы, и осуществление в них интенсификации теплообмена одним из указанных выше способов представляются весьма целесообразным.
Рис. 1. Зависимости (Ш/ЫиглУ(£/Сгл) = /Де), Ш/Ыигл = /Де) и £/Сгл = /Де) для ПРрс (1...4 [5], 5 [7]]) и ПРрз (6 [8]) ТП с прямоугольными каналами
Принимая во внимание результаты анализа величин возможной оценки [(Nu/Nura/m^lmax процесса РИКТ в прямоугольных каналах пластинчато-ребристых ТП, а также приведённые выше результаты для круглого и треугольных каналов [2-4, 6], можно высказать предположение, что для ПРрс ТП с прямоугольными каналами при определенных величинах безразмерных геометрических параметров значение оценки [ (N u/Nura) /рИКт]тах будет больше, чем для ТП с треугольными каналами (вследствие меньшего отрицательного влияния на теплообмен угловых ламинаризованных зон [10]) и меньше, чем для каналов круглой формы: 2.15 < [(Nu/Nura)/риКТ]тах < 2,88
Определение условий реализации процесса РИКТ в прямоугольных каналах ПРрс и ТПвк теплообменных поверхностей
Анализ достигаемых значений оценок [(Nu/Nuгл)/РИКТ]max процесса РИКТ в каналах различных форм поперечных сечений с помощью искусственной турбулизации потока теплоносителя способами рассечения длинных гладких каналов или применением каналов с периодически расположенными на их стенках выступами и канавками при значении определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=idem/ (Z/Zm)Re=idem = 1 показал, что теплоаэродинамическая эффективность ПРрс и ТПвк ТП зависит от многих факторов: формы поперечного сечения канала; наличия округления угла между гранями некруглого канала и величины радиуса округления; значений определяющих безразмерных геометрических параметров l/d, S/d, h/u, d*/d; значения отношения L/d для гладкоканальной ТП, используемой для сравнительной оценки; величины режимного параметра - критерия Рейнольдса [1-7, 10, 11]. Установлено, что в каналах треугольного поперечного сечения сильно проявляется отрицательное влияние угловых ламинари-зованных зон [10] на теплообмен между теплоносителем и стенкой канала. Увеличение значения параметра щелевидности треугольных - h/s и прямоугольных - h/u каналов приводит к снижению отрицательного влияния на теплообмен угловых ламинаризованных зон, которое в прямоугольных каналах всегда выражено слабее.
Результаты тщательно спланированных и достаточно сложных в подготовке систематических экспериментальных исследований теплоаэродинамических характеристик 10-ти ПРрс и 1-й ПРгл ТП, а также 31-й ТПвк и 4 -х ТПгл ТП с прямоугольными каналами [11, 13], основные геометрические параметры двух выборочных серий которых приведены в табл. 2, подтвердили реализацию процесса РИКТ и позволили получить при значении определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=idem/(Z/Zra)Re=idem = 1 следующие значения оценок [(Nu/Nura/mo-]^: 2,60 - прямоугольные каналы ПРрс ТП (l/d = 1,31; S/d = 0,078; h/u = 6,93; L/d = 19.43; Re = 2 400) [11]; 1,38 - прямоугольные каналы ТПвк ТП (d*/d = 0,90; l/d = 0,183; h/u = 1,739; L/d = 10,50; Re = 2 000) [12, 13]. Меньшее значение полученной оценки [(Nu/Nu^^o-]^ процесса РИКТ для прямоугольных
с h/u = 1,739 каналов ТПвк ТП по сравнению с треугольными объясняется значительной частью (36,5 %) периметра поперечного сечения канала, относящейся к поверхности плоскоовальных трубок, не создающей аэродинамического эффекта входного вихря. Помимо этого, значение оценки процесса РИКТ для прямоугольных каналов ТПвк ТП получено по отношению к гладким каналам с L/d = 10,50; значения же оценок процесса РИКТ для ПРрс и ПРвк ТП с треугольными каналами определялись в сравнении с гладкими каналами с L/d, равным соответственно 20,1 и 23,6 и, следовательно, с более стабилизированным течением в них потока теплоносителя, обусловившим большие значения оценок процесса РИКТ.
Таблица 2
Основные геометрические параметры исследованных ПРрс, ПРгл, ТПвк и ТПгл ТП
Номер и тип поверхности d, мм ô/d d*/d l/d h/u L/d
1 ПРрс 7,72 0,078 - 0,65 6,93 19,43
2 ПРрс 7,72 0,078 - 0,97 6,93 19,43
3 ПРрс 7,72 0,078 - 1,30 6,93 19,43
4 ПРрс 7,72 0,078 - 1,94 6,93 19,43
5 ПРрс 7,72 0,078 - 2,77 6,93 19,43
6 ПРрс 7,72 0,078 - 3,24 6,93 19,43
7 ПРгл 7,72 0,078 - - 6,93 19,43
8 ТПвк 8,76 - 0,953 0,18 1,74 10,50
9 ТПвк 8,76 - 0,913 0,18 1,74 10,50
10 ТПвк 8,76 - 0,893 0,18 1,74 10,50
11 ТПгл 8,76 - 1 - 1,74 10,50
В отличие от имеющихся в литературных источниках результатов исследований единичных образцов ТП с выбранными интуитивно или продиктованными технологическими возможностями изготовления значениями определяющих безразмерных геометрических параметров каналов, систематические экспериментальные исследования позволяют определять влияние изменения значений отдельных параметров на изменение теплоаэродинамических характеристик, определять величину оценки
[(Ки/Кигл)/рикт]шах процесса РИКТ, диапазоны значений режимного параметра - критерия Рейнольдса и определяющих безразмерных геометрических параметров, соответствующих области реализации процесса РИКТ
с его оценками от [(Nu/Nura)'рикт^тт до [(Nu/Nura)'pHKijmax при значении определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=ldem./(Z/Zm)Re=ldem = 1.
В [11-13] в полном объёме отражены результаты систематических экспериментальных исследований процесса РИКТ в прямоугольных каналах ПРрс и ТПвк ТП. В частности, в результате исследования серии ПРрс ТП 1...6, отличавшихся только величиной параметра рассечения l/d (см. табл. 2), установлено влияние изменения его значений на теплоаэродинамические характеристики ПРрс ТП, которые представлялись в виде графических зависимостей Nu = /(Re) и Ç = /(Re) и аппроксимировались степенными функциями вида Nu = A-Rem и Ç = 5-Re”. Эти данные позволили построить зависимости Nu/Nura = /(l/d) и Ç/^ = /(l/d) при
Re = idem, координаты точек пересечения которых определяют значения оценки (Nu/Num/rn^ процесса РИКТ и параметра рассечения (1М)'РИКТ, являющиеся, соответственно, максимальным и минимальным их значениями при величине определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=ldem/(Z/Zra)Re=ldem = 1. Совокупность представленных на рис. 2 вариантов графических определений соответствующих друг другу величин (Nu/Nu^'j^T и (l/d) 'рикт для 18-ти значений критерия Re показывает, что для серии ПРрс ТП 1.6, отличавшихся только величиной параметра рассечения l/d = variable (l/d = 0,65, 0,397, 1,30, 1,94, 2,77, 3,24), процесс РИКТ реализуется в достаточно широких пределах изменения значений режимного параметра от (Re' РИКТ),г,ш = 600 до (Re'm^)^ = 6 000, причём следует отметить, что значение (Re 'РИКТ)1шП = 600 определяется нижней границей общего диапазона изменения значений критерия Re = 600.10 000 проведенного систематического экспериментального исследования.
На композиционном рис. 3 представлены зависимости
(Nu/Nura)/(^) = /(Re), Nu/Nura = /(Re), = /(Re) и (l/d)'рикт = /(Re), по-
следняя из которых совокупностью своих точек обусловливает велич ины определяющего безразмерного геометрического параметра рассечения (l/d)'РИКТ и область значений режимного параметра - критерия Рейнольдса, при которых с оценкой (Nu/Nu^^o- и значением определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=ldem/(Z/Zm)Re=ldem = 1 реализуется процесс РИКТ. Так заданной величине параметра Re в диапазоне значений от (Re'РИKТ)mln = 600 до (Re'^x)^ = 6 000 будет отвечать процесс РИКТ при значении определяющего комплекса: (Nu/NumWldem^Z/ZraVe^dem = 1 и (Nu/Nura)WT, если принимаемая для ПРрс ТП величина параметра рассечения будет равна (l/d)'РИКТ, соответствующей заданной величине критерия Re (кривая (l/d)' РИКТ = /(Re) на рис. 3); (Nu/Nura)Re=ldem/(Z/Zm)Re=ldem > 1
и [^и^игл)''РИКТ < (Nu/Nuгл)'РИKТ]Re=ldem, если для ПРрс ТП принимаемая величина параметра рассечения отвечает неравенству
[(l/d) РИКТ > (l/d) РИKТ]Re=ldem.
Рис. 2. Зависимости Nu/Nura = /(l/d) и Ç/Çra = /(l/d) при Re = ldem для ПРрс 1.6 ТП c d/d = 0,078: о - Nu/Nura; 0 - Ç/Çra
Если же для ПРрс ТП принимаемая величина параметра l/d отвечает неравенству [l/d < (l/^грикт]Re=ldem, то процесс РИКТ не реализуется, а интенсификация теплообмена определяется неравенством
(NU-^NU-ra^e^îdem < (Z/Zra)Re=ldem.
Как видно из рис. 3, значения достигаемых оценок процесса РИКТ увеличиваются в пределах от
[(Nu/Nura) 'риктішіи = 1,89 при (l/d)^ = 1,70 до [ (N u/N игл) ' рикт ] шах = 2,60 при
(l/d) 'РИКТ = 1,31 для случая увеличения значений режимного параметра от
(Re /рикт)шіп = 600 до Re ^икт = 2 400 и при его дальнейшем возрастании до
(Re 'РИКТ)шах = 6 000 уменьшаются до
/рИКТ = 1,97 при (l/d) ^ИКТ = 3,23
Это объясняется тем, что в каналах ПРрс ТП в диапазоне значений критерия Re = 600...2 550 закон теплоотдачи соответствует переходному режиму течения теплоносителя со средним значением показателя степени m @ 0,48 при Re в выражении Nu = ^Rem для всех ПРрс ТП 1.6 [11], а в диапазоне значений Re = 2 550. 10 000 - турбулентному
со слабым увеличением значений m до величин 0,50... 0,62 (в зависимости от величин параметра l/d = 0,65. 3,24). В то же время в гладком канале закон теплоотдачи при значениях критерия Re = 600.2 340 соответствует ламинарному режиму течения (m = 0,30), что и обусловливает рост значений отношения (Nu/Nura)"РИКТ. С наступлением в гладком канале закона теплоотдачи для переходного режима течения (m = 0,51) при значениях критерия Re = 2 340.4 380, величина отношения (Nu/Nura) 'РИКТ уменьшается с сохранением тенденции и при значениях Re > 4 380 - для турбулентного (m = 0,78) режима течения [11].
Следует также отметить, что при изменении режимного параметра от (Re'РИКТ)тП = 600 до Re'РИКТ = 1 200 величина параметра рассечения уменьшается от (l/d) 'РИКТ = 1,70 до [(l/d) /рикт]шіп = 1,23. При дальнейшем увеличении режимного параметра от Re 'РИКТ = 1 200 до (Re 'РИКТ)шах = 6 000 величина параметра рассечения возрастает сначала медленно от [(l/d)/рикт]шіп = 1,23 при (Nu/Nura)*рикт = 2,30 до (l/d)^икт = 1,30 при Re'РИКТ = 2 400 и [(Nu/Nura)'РИКТ]шах = 2,60, а затем - резко до значения [(l/d) 'РИКТ]шах = 3,23 при (Nu/Nura) 'РИКТ = 1,97 на правой границе диапазона реализации процесса РИКТ по режимному параметру.
Рис. 3. Зависимости (Nu/Nura)/(Z/Zra) = fRe), Nu/Nura = f(Re), Z/Сгл = f(Re) и (l/d)mKT = f(Re) для ПРрс ТП 1.6 при S/d = 0,078
Графические зависимости (1/<я?)'рикт = /(Re) и (Nu/Nura) 'РИКт = /(Re) также отчётливо показывают (см. рис. 3), что при значении определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=ldem/(Z/Zra)Re=idem = 1 в диапазоне значений (l/d)' РИКт = 1,7.1,23 каждому значению (l/d)' РИКТ отвечают две пары значений (Re'pиКТ)м, [(Nu/Nuгл)/pИКт]м и (Re/pИКТ)б, [(Nu/Nuгл)/pИКт]б, за исключением случая при [(//<яО'РИКт]тт = 1,23, которому отвечает пара значений Re' рикт = (Re' рикт)м = (Re' рикт)б = 1 200 и (Nu/Nura) 'рикт = [(Nu/Nuгл)' рикт]м = = [(Nu/Nura) 'РИКт]б = 2,30. Следовательно, параметру рассечения, отвечающему неравенству 1,23 < (l/d)'РИКТ < 1,7, при (Re'РИКТ)м < Re < (Re'РИКт)б соответствует достигаемое значение оценки [^и^игл)"РИК-г <
< (Nu/Nura) 'шю-]^^^ процесса РИКт при значении определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=ldem/(Z/Zra)Re=ldem > 1. так, в частности, параметру (//<я?)'РИКт = 1.58 при произвольном значении критерия Рейнольдса, удовлетворяющем неравенству (Re' РИКт)м = 700 < Re = 900 < (Re 'РИКт)б = 3 000 (см. зависимость (l/d) 'РИКт = ./(Re) на рис. 3), соответствует достигаемое значение оценки [(Nu/Nu^'m^ = 2,05 < (Nu/Num/mo- = 2,14]Re=900 процесса РИКт (см. рис. 2, г).
В самом общем случае для процесса РИКт при значении определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=ldem/(Z/Zra)Re=ldem > 1 справедливо положение: любому значению параметра рассечения, удовлетворяющему неравенству [(l/d) 'РИКт]1шП < (l/d) 'РИКт < [(l/d) 'ши-^ах при любом значении критерия Рейнольдса, удовлетворяющем неравенству (Re'РИКт),тп < Re <
< (Re 'щ^тж, соответствует достигаемое значение оценки [(Nu/Nura)''P^T
< (Nu/Nu,,)'PHKT]PT^KTlriem. Например, произвольному значению параметра рассечения [(l/d) 'рикт^т = 1,23 < (l/d) 'рикт = 3,0 < [(l/d) 'рикт^ах = 3,23 при значении критерия Рейнольдса ^'РИКт)м = 1200 < Re = 2 000 < (Re'^Kx^ = 6 000, соответствует достигаемое значение оценки [(Nu/Nura)''РИКТ = 1,75 <
< (Nu/Nura) 'РИКт = 2,50]Re=2 000 процесса РИКт (см. рис. 2, к).
В технике широкое распространение получили также трубчатопластинчатые тА на основе коридорно-расположенных плоскоовальных трубок, к которым припаяны поперечные охлаждающие пластины. Применение вместо гладких профилированных охлаждающих пластин, образующих трубчато-пластинчатую с периодически расположенными выступами и канавками тП с прямоугольными каналами, позволяет без изменения существующей технологии изготовления создавать конструкции трубчато-пластинчатых тА с интенсификацией конвективного теплообмена.
Частота вносимых в поток теплоносителя возмущений вследствие генерации вихрей в пристеночной области течения теплоносителя в каналах с поперечными выступами и канавками определяется величиной геометрического параметра l/d, а мощность возмущений и генерируемых вихревых структур - геометрическим параметром d*/d. С уменьшением величины параметра d*/d (или с увеличением высоты выступа) теплоотдача растет, т. к. вихри становятся больше, а срывающаяся с их верхней границы турбулентность заметно интенсифицирует конвективный теплооб-
мен. Однако такая интенсификация теплообмена сопровождается значительным ростом величины коэффициента аэродинамического сопротивления, т. к. требует больших затрат подводимой к потоку теплоносителя дополнительной энергии, не только расходующейся на необходимую турбу-лизацию тонкого пристеночного слоя течения теплоносителя, затрагивающей и ядро потока. Как уже отмечалось, значения критерия Нуссельта и коэффициента сопротивления возрастают при уменьшении параметра С*/С, но рост каждой величины в отдельности во всем диапазоне исследования по значениям критерия Рейнольдса неодинаков. Очевидно, что наиболее целесообразной окажется интенсификация конвективного теплообмена в каналах ТПвк ТП в области переходного режима течения теплоносителя при значениях параметра С*/С, обеспечивающих величину определяющего комплекса (Ки/№гл)яе=Ыет/(^гл)яе=1ает ^ 1.
В результате исследования серии ТПвк ТП 8.10, отличавшихся только величиной параметра степени сужения сечения канала С*М = уагі-аЬ1е (С*/С = 0,893, 0,913, 0,953), установлено влияние изменения его значений на тепловые № = ДЯе) и аэродинамические £ = ДЯе) характеристики, которые аппроксимировались степенными функциями вида № = АЯет и £ = £Яе" [12, 13]. Эти данные позволили в результате построения зависимостей Ки/№гл = ХС*/С) и £/£гл = Т(С*/С) при Яе = Меш (Яе-10-3 = 0,9, 1,0, 1,2, 1,4, 1,6, 1,8, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5), аналогичных приведённым на рис. 2 для ПРрс ТП, графически определить соответствующие друг другу величины (№і/1Чигл)'рикт и (б/*/б/)/рикт Для 10-ти указанных выше значений критерия Яе, и положить их в основу построения кривой зависимости (С*/С)'РИКТ = ДЯе), приведённой на композиционном рис. 4 наряду с зависимостями (Ки/№гл)/(£/£гл) = ДЯе),
Ки/№гл = ДЯе), £/£гл = ДЯе). Эти зависимости позволяют определить величины основного безразмерного геометрического параметра (С*/С)'РИКТ, (С*/С)"РИКТ, С*/С и области значений режимного параметра -критерия Рейнольдса, при которых с оценками (Ки/№гл)'ржТ, (Ки/№гл)"ржТ,
Ки/№гл и соответствующими значениями определяющего комплекса
(^и/-^"игл)Яе=Мет/(£/£гл)Яе=Ыет 1,
(Ки/№гл)Яе=іает/(£/£гл)Яе=Мет > 1 или
(Ки/№гл)Яе=іает/(£/£гл)Яе=мет < 1 реализуются различные варианты возможных процессов интенсификации конвективного теплообмена.
12 4 10 Яе-Ю
Рис. 4. Зависимости (Ш/Мигл)/(£/£гл) = /Яе), (Ш/Шгл) = ДЯе), (Х/Хгл) = /Яе) и (С*/С)РИКТ = ДЯе) для ТПвк ТП 8.10 при 1/С = 0,183
Заключение
Проведённый анализ в объёме, не претендующем на исчерпывающую полноту, позволяет отметить следующее.
Сложность аналитических решений задач конвективного теплообмена в некруглых интенсифицированных каналах пока по-прежнему приводит к необходимости опираться исключительно на экспериментальные данные при конструировании и расчётах ТА.
Анализ литературных результатов исследований единичных образцов ПРрс и ПРрз ТП показал перспективность использования пластинчато-ребристых ТП для реализации в их прямоугольных каналах процесса РИКТ с вероятной оценкой в пределах 2,15 < (Nu/Nura)PHKT < 2,88.
Результаты выполненного анализа позволили при планировании систематических экспериментальных исследований теплоаэродинамической эффективности ПРрс и ТПвк ТП принять обоснованные диапазоны изменения значений определяющих процесс РИКТ безразмерных геометрических параметров их каналов.
Специальный штамповый инструмент обеспечил в процессе изготовления всех групп опытных ПРрс и ТПвк ТП чёткое соблюдение постоянства прямоугольной формы поперечных сечений и заданных значений геометрических параметров каналов.
В результате систематического экспериментального исследования серии ПРрс ТП с параметрами S/d = 0,078, h/u = 6,93, L/d = 19,43 и l/d = variable (l/d = 0,65, 0,97, 1,30, 1,94, 2,77, 3,24) экспериментально установлены значение оценки процесса РИКТ {[(Nu/Nura)Re=2 400]/риКт}тах = = 2,60 при (Nu/Nura)Re=2 4oo/(2/2m)Re=2 400 = 1 и определяющие условия реализации процесса РИКТ: Remo- = 600.6 000; (1/У)РИКТ = 1,23.3,23. Диапазоны значений оценок реализуемых процессов РИКТ: (Nu/Nura)'РИКТ = = 1,89.2,60 в области значений критерия Remo- = 600.2 400; (Nu/Nura) рики = 2,60. 1,97 — при Reрикт = 2 400. 6 000.
В прямоугольных каналах серии ТПвк ТП с параметрами l/d = 0,183, h/u = 1,74, L/d = 10,50 и d*/d = variable (d*/d = 0,893, 0,913, 0,953) для условия (Nu/Nura)Re=2 000/(£/2m)Re=2 000 = 1 экспериментально установлены значение оценки процесса РИКТ {[(Nu/Nura)Re=2 000] /РИКТ}тзх = 1,378 и условия реализации процесса РИКТ: Remo = 900.3 500; ^*/$)РИКТ =
= 0,893.0,953. Диапазоны значений оценок реализуемых процессов РИКТ: (Nu/Nura)' РИКТ = 1,10.1,38 в области значений критерия ReraKr = = 900.2 000; (Nu/Nura) 'РИКТ = 1,38. 1,14 - при Remo = 2 000.3 500.
В коротких гладких каналах отсутствует стабилизация потока теплоносителя и реализуется определенный уровень интенсификации конвективного теплообмена (более высокие значения коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления). В результате определённая при (Nu/Nura)Re=idem/(2/2™)Re=idem = 1 величина оценки (Ш/Шгл)'рикт процесса РИКТ в прямоугольных каналах ТПвк ТП по отношению к ТПгл ТП
c L/d = 10,50 ниже, чем в треугольных каналах по отношению к ПРгл ТП с L/d = 20,1 и 23,6.
Полученные результаты могут быть использованы при проектировании ТА с использованием установленных диапазонов изменения значений режимного и основных безразмерных геометрических параметров каналов исследованного типа, определяющих реализацию процесса РИКТ.
Список обозначений
ПРгл, ПРвк, ПРрз и ПРрс - пластинчато-ребристые соответственно гладкоканальная, с периодически расположенными поперечными выступами и канавками, разрезная и рассечённая ТП;
РИКТ - рациональная интенсификация конвективного теплообмена;
ТА - теплообменный аппарат;
ТП - теплообменная поверхность;
ТПгл и ТПвк - трубчато-пластинчатые гладкоканальная и с периодически расположенными поперечными выступами и канавками ТП;
d и d* - эквивалентный гидравлический диаметр канала ТП соответственно на гладком участке и в самом узком его сечении, м;
h - высота канала ПРрс ТП, расстояние по фронту между плоскими стенками смежных плоскоовальных водяных трубок ТПвк ТП, м;
L - общая длина каналов ТП, м;
l - длина ребра ПРрз и ПРрс ТП, длина гладкого участка канала ТПвк
ТП, м;
5 - шаг рёбер или диафрагменных пережатий канала, м;
и - расстояние между рёбрами, м;
d*/d - степень сужения сечения канала ТПвк ТП;
h/s и h/u - параметр щелевидности треугольного и прямоугольного каналов;
L/d - относительная глубина хода воздуха в каналах ТП;
l/d - параметр рассечения ПРрз и ПРрс ТП, относительная длина гладкого участка канала ТПвк ТП;
Nura, Nu - критерий Нуссельта ТП соответственно гладкоканальных и с искусственной турбулизацией потока теплоносителя в каналах;
Re - критерий Рейнольдса;
5 - толщина ребра или охлаждающей пластины ТП, м;
^гл, Z и £гл, £ - коэффициенты потерь давления на трение и общих потерь давления (на вход, выход и трение) в каналах ТП соответственно гладкоканальных и с искусственной турбулизацией потока теплоносителя;
5/d - относительная толщина ребра.
Индексы:
и - конкретизируют отношение к процессам РИКТ при значениях определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=idem/(Z/Çm)Re=idem = 1
и (Nu/Nura)Re ^demA^Cm^e^dem > 1 ;
6 и м - большее и меньшее значения величины;
РИКТ - указывает на отношение к процессам РИКТ при значениях определяющего комплекса (Nu/Nura)Re=idem/(Ç/Çm)Re=idem ^ 1;
idem - одинаковый;
max и min - максимальное и минимальное значения величины.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Кэйс В. М. Конвективный тепло- и массообмен / Пер. с англ. - М.: Энергия, 1972. - 448 с.
2. Михайлов А. И., Борисов В. В., Калинин Э. К. Газотурбинные установки замкнутого цикла. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 146 с.
3. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.
4. Дубровский Е.В. Интенсификация конвективного теплообмена в пластинчато-ребристых теплообменных поверхностях // Энергетика и транспорт: Изв. АН СССР. - 1978. - № 6. - С. 116-127.
5. Кэйс В. М., Лондон А. Л. Компактные теплообменники. - М.: Энергия, 1967. - 224 с.
6. Воронин Г. И., Дубровский Е. В. Эффективные теплообменники. - М.: Машиностроение, 1973. - 96 с.
7. Экспериментальное исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления пластинчато-ребристых поверхностей теплообмена / В. А. Васютин, И. Н. Журавлёва, И. П. Усюкин, В. А. Новиков // Техника низких температур / Под ред. И. П. Усюкина. - М., 1975. - С. 100-112.
8. Курылёв Е. С., Рамадан А. М., Евреинова В. С. Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления продольно оребрённых поверхностей // Холодильная техника. - 1967. - № 9. - С. 38-41.
9. Dubrovsky E. V. Vasiliev V. Yu. A Method for Relative Comparison of Thermohy-draulic Efficincies of Heat Transfer Surfaces and Heat Exchangers // Proceedings of the Third International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. - Davos, Switzerland, 2001. -P. 159-168.
10. Eckert E. R. G., Irvine N. F. Flow in corners with non-circular cross-sections. Trans. ASME, 1956. - P. 709-718.
11. Васильев В. Я. Искусственная турбулизация потока теплоносителя рассечением каналов теплообменной поверхности // Вестн. Астрахан. гос. техн. унта. - 2005. - № 2 (25). - С. 247-254.
12. Васильев В. Я. Эффективные методы рациональной интенсификации конвективного теплообмена в прямоугольных каналах пластинчато-ребристых и трубчато-пластинчатых теплообменных поверхностей // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Материалы второй Российской конф., 15-17 марта 2005 г., Москва. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 15 с.
13. Vassiliev V. Ya. Results of Experimental Research and Assessment of Rational Enhancement of Convective Heat Transfer in Rectangular Channels of Heat Exchange Finned Surfaces. - Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries - 2005. - Proceedings of the Fifth International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries held at the Whistler, British Columbia, Canada, September 11-16, 2005. - P. 52-72.
CONDITIONS DETERMINING THE PROCESS OF RATIONAL INTENSIFICATION OF CONVECTIVE HEAT TRANSFER IN RIGHT-ANGULAR CANALS OF PLATE-FIN AND PLATE-TUBE SURFACES
V. Ya. Vasilyev
Two ways of generating vortex in parietal flows in canals (on dif-fuser-confuser segments and when flowing bluff bodies) are realized in right-angular canals of plate-tube (PT) heat-exchange surfaces (HE) with cross raised parts and flutes, and plate-fin split heat-exchange surfaces (PF) in order to intensify rational convective heat transfer (RCHT). The results of elaborated methodical experimental research of heat and aerodynamic properties PT, HE, PF have proved realization of RCHT processes and high level of values [(NuNurjI)'PHKr]max when determinative complex equals (Nu/NurjI)Re=idem/(/)Re=idem=1. There have been suggested and (for tested HE groups) realized methods for estimating range of changing values of dimensionless geometrical and mode parameters which determine realization of RCHT processes. The given methods make easy searching of rational solutions when constructing heat exchangers.
