Материал: Интенсификация теплообмена в энергоустановках. Сборник задач. В двух частях. Трошин А.Ю., Коновалов Д.А

в котором р — потеря напора в гладкой трубе того же диаметра и при той же скорости жидкости в полном сечении; β — удельный свободный объем насадки.

Опытные данные, полученные в трубе со сферической насадкой, описываются этим уравнением с точностью до ±10 %. Результаты исследований показывают, что применение насадок в трубках не является эффективным средством интенсификации теплоотдачи; в отдельных случаях может оказаться целесообразным применение относительно крупной насадки.

3.2. Поверхности с искуственной шероховатостью

Для шероховатых поверхностей характерны повышенные значения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления; в некоторых случаях может оказаться целесообразным применение поверхностей с искуственной шероховатостью для уменьшения габаритов и веса теплообменных аппаратов.

Исследованы теплоотдача и потеря напора при течении воздуха в трубах с искусственной шероховатостью в виде бугорков, имевших форму усеченных пирамид, которые были получены с помощью специальной накатки.

Для характеристики шероховатости предлагается использовать два безразмерных параметра: относительную шероховатость (δ/d) и относительную концентрацию выступов шероховатости (nd). Понятие об относительной шероховатости (δ/d), представляющей отношение средней высоты выступов шероховатости к диаметру трубы, достаточно хорошо известно и рассматривается во всех курсах теплопередачи. Относительная концентрация выступов шероховатости (nd) выражает число бугорков шероховатости на длине, равной диаметру трубы; этот параметр необходим для оценки так называемой непредельной шероховатости, когда выступы шероховатости расположены не вплотную, а на определенном расстоянии друг от друга, что, в частности,

125

может иметь место при искусственно созданной шероховатости. Для геометрического подобия шероховатых труб необходимо выполнение условий:

(δ/d)=idemи (nd)=idem.

Оценивать шероховатость одной величиной (δ/d) можно только в случае предельной концентрации, когда между выступами шероховатости нет свободной гладкой поверхности, при этом выпонение условия (δ/d)=idem автоматически влечет за собой выполнение второго условия

(nd)=idem.

Исследовались трубы с непредельной шероховатостью, которая характеризовалась значениями (δ/d)=0,014÷0,0265 и (nd)= 5,3÷15,3. Опыты проводились с трубами, длина которых равнялась 60d, при этом средний коэффициент теплоотдачи не зависит от длины.

На основании анализа опытных данных установлено, что существенное влияние (δ/d) и (nd) на теплоотдачу проявляется при значениях Re>Reпр, причем по мере увеличения (δ/d) и (nd) интенсивность теплоотдачи возрастает. Величина Reпр в свою очередь зависит от (δ/d) и определяется выражением

Reпр≈750(δ/d). (3.8)

При Re<Reпр толщина ламинарного подслоя значительно меньше высоты выступа шероховатости.

Для определения коэффициента теплоотдачи в шероховатых трубах в области значений Reпр<Re≤1•105 при течении в них воздуха рекомендуется эмпирическое уравнение

Физические свойства воздуха берутся при среднелогарифмической температуре потока, а в качестве

126

определяющего линейного размера принят среднеобъемный диаметр трубы.

Константы С1, С2 и С3 в уравнении (3.9) определяются по уравнениям

Уравнения справедливы в исследованной области значений (δ/d)=0,014÷0,0265 и (nd)= 5,3÷15,3.

При С1=1 и С2•С3=0 уравнение (3.9) приводится к известному уравнению, описывающему теплоотдачу при турбулентном течении воздуха в гладкой трубе; это дает основания для экстраполяции в область меньших значений δ/d

и nd, т. е. в область δ/d<0,014 и nd<5,3).

Коэффициент сопротивления при Re>Reпр выражается уравнением

Основываясь на приведенных эмпирических уравнениях, Селезнев показал, что в определенных условиях шероховатые трубыпозволяют осуществить большие теплосъемы, чем гладкие трубы, при равных затратах мощности на перемещение в них теплоносителя. Эффективность исследованных шероховатых труб возрастает с увеличением δ/d, nd и величины критерия Nu.

Так же исследована теплоотдача и потеря напора при течении трансформаторного масла в модели аксиального канала статорного железа турбогенератора с масляным

127

охлаждением. Особенностью такого канала является специфическая шероховатость стенок, обусловленная осносительным смещением листов, из которых шихтуется статор, в пределах технологических допусков: относительная шероховатость стенки канала достигает значения δ/d=0,05.

Модель была собрана из большого числа (~3000 шт.) стальных пластин толщиной 0,5 мм и диаметром 200 мм, которые стягивались четырьмя анкерными болтами; каждая пластина имела центральное отверстие диаметром 10,5 мм. После сборки пакета длина канала составила 1435 мм, причем в канал плотно входил калиброванный пруток диаметром 9,5 мм; этот размер условно принимался за диаметр канала. Опыты проведены при изменении скорости масла в канале в пределах ω=0,525÷3,29 м/сек, которым соответствуют значения критерия Re= 338÷2500. Температура масла на входе составляла 31,7-41 ºС, на выходе 38,4-46,5 ºС; средняя температура стенки канала равнялась 73,8-81,9 ºС, удельная тепловая нагрузка 310-1275 ккал/м·ч. Экспериментально определенные значения коэффициента теплоотдачи составили 227÷2100 ккал/м2·ч·град. Опытные данные описываются эмпирическим уравнением

Анализ опытных данных показал, что режим течения масла становится турбулентным при сравнительно низких значениях критерия Рейнольдса порядка Re=600, чему соответствует скорость течения масла ~1 м/сек. Можно предполагать, что по мере увеличения Re до величины порядка 2000 происходит постепенное включение в теплообмен дополнительной поверхности, образованной выступающими элементами пластин, из которых собрана модель; в области Re>2000 в теплообмене активно участвует вся поверхность. Процессы стабилизации и постепенного включения всей поверхности в теплообмен несколько напоминают явления, наблюдающиеся при продольном

128

обтекании трубок с поперечным оребрением. В рассмотренной работе экспериментально установленные значения коэффициента теплоотдачи оказались в 2-8 раз больше рассчитанных по известным уравнениям для случая ламинарного течения жидкости в трубе с гладкими стенками. Это свидетельствует о весьма существенной роли шероховатости в некоторых частных случаях теплообмена.

Применение шероховатых листов с мелкозернистыми выступами приводит к существенной интенсификации теплоотдачи в трубчато-пластинчатых перекрестно-точных теплообменниках при омывании газом поверхности листов, что позволяетт уменьшить габариты и вес аппаратов.

Поверхности с искуственной шероховатостью не получили широкого применения в теплообменных аппаратах, хотя, как это следует из изложенного, в отдельных случаях использование их может быть целесообразным.

3.3.Трубы с переменным по длине сечением

Втрубах с переменным по длине сечением происходит частое изменение скорости потока, что вызывает его турбулизацию и интенсифицирует теплоотдачу; в то же время возрастают потери напора.

Для изготовления труб с переменным сечением используются обычные круглые трубы, стенки которых подвергаются соответствующей пластической деформации — сплющиванию в той или иной плоскости.

Данные о теплоотдаче и сопротивлении различных типов таких труб ихарактеристики этих труб приведены в табл. 3.4, форма труб и дополнительные их размеры показаны на рис. 3.12 и 3.13.

Зависимость интенсивности теплоотдачи и величины потери напора от гидродинамической обстановки для указанных труб выражена графически (рис. 3.12 и 3.13) в виде функциональной связи:

129