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

В следующей фазе ускорения потока происходит формирование пограничного слоя, которое, однако, не успевает закончиться к моменту начала повторного замедления потока, если частота пульсаций достаточно велика. На этой стадии благодаря тому, что толщина пограничного слоя еще относительно невелика, также можно ожидать более интенсивной теплоотдачи по аналогии с теплоотдачей на входном участке трубы.

Таким образом, физические явления, сопровождающие пульсации давления, должны способствовать теплоотдаче, но в то же время приводить к повышенному сопротивлению канала; при оценке практической целесообразности такого метода интенсификации теплоотдачи следует также учитывать дополнительный расход энергии на возбуждение пульсаций.

Получено решение для случаев турбулентного пограничного слоя на плоской пластине и в начальном участке цилиндрической трубы при периодической пульсации скорости в основном потоке газа. Анализ полученных уравнений показал, что пульсации скорости могут существенно влиять на коэффициенты сопротивления и теплоотдачи.

Для проверки исследовали теплоотдачу при охлаждении воздуха в короткой латунной трубе диаметром 60 мм в области Re=(6,5÷10)·104 при частоте пульсаций до 900 гц и относительной амплитуде до 0,536. Отмечено довольно существенное увеличение коэффициента теплоотдачи при наличии пульсаций, достигавшее в некоторых случаях 50 % по отношению к величине, характерной для потока при отсутствии пульсаций. Опытные данные удовлетворительно согласуются с выведенными уравнениями.

Изучена теплоотдача при нагревании воды в трубе диаметром 50 мм в области Re=(3÷8,5)·104 при продольных пульсациях низкой частоты (~1,7 гц), которые создавались плунжерным насосом без воздушного колпака, использовавшимся для циркуляции воды в системе. Интенсивность пульсаций регулировалась при помощи

135

промежуточного сосуда, установленного на нагнетательной линии, в котором над зеркалом жидкости существовало воздушное пространство: интенсивность пульсаций оценивалась величиной отношения максимального и минимального объемов воздуха α в промежуточном сосуде за полный цикл: это отношение изменялось в пределах от α=1,02 до α=1,56. Установлено, что отношение ( αп/ α), где αп, α — коэффициенты теплоотдачи при наличии и отсутствии пульсаций соответственно, и Re=idem, медленно возрастает в области α=(1÷1,1), затем начинает быстро увеличиваться и достигает максимума ( αп/ α= 1,6÷1,9) при α=1,4÷1,42, после чего вновь уменьшается. Таким образом, αп на 60-80% выше, чем α; при этом мощность, затрачиваемая на циркуляцию воды в системе, увеличилась на 30 %.

Исследовавалась теплоотдача при турбулентном течении воды (Re=5000÷80000) в трубе диаметром 12,7 мм при пульсациях различной амплитуды и частоты (ƒ = 40; 81; 160 мин-1). Установлено, что при ƒ=40 и 81 мин-1 пульсации не влияют на теплоотдачу при всех исследованных амплитудах. При ƒ=160 мин-1 теплоотдача заметно интенсифицируется, особенно в области низких значений Re: так, при Re=5000 коэффициент теплоотдачи возрастает на 130%, а при Re=20000

— всего на 30 %; влияние амплитуды пульсаций проявляется. Теоретически проанализировано влияние продольных

пульсаций, происходящих по закону синусоиды, на теплоотдачу и потерю напора при ламинарном и турбулентном течении в трубе вводится понятие о квазистационарном пульсационном потоке, для которого скорость изменяется по закону:

где ω0– скорость, соответствующая расходу и сечению канала (при отсутствии пульсации);

ξ=ω*/ ω0=K*sin(ωt);

ω* – мгновенное значение пульсационной составляющей полной скорости ωt (рис. 3.15);

136

ω – угловая скорость; t – время;

K= ω*макс/ ω0=Afπ/ ω0;

ω*макс – максимальное значение пульсационной составляющей (рис. 3.15);

А – амплитуда пульсаций.

Для квазистационарного пульсационного потока выполнено решение, на основании которого установлены соотношения между коэффициентами теплоотдачи (αт/α0, где α0 – коэффициент теплоотдачи для потока при отсутствии пульсаций) и сопротивления (ζт/ζ0, где ζ0 – коэффициент сопротивления для потока при отсутствии пульсаций); эти соотношения представлены на рис. 3.16 для ламинарного и турбулентного потоков в зависимости от K (см. выше). В критериальном уравнении, описывающем теплоотдачу для турбулентного режима течения, значения показателя степени при Re принимались равными m=0.5 и 0.75 (рис. 3.16). Из рассмотрения рис. 3.16 следует, что интенсификация теплоотдачи при квазистационарном пульсационном потоке наступает в области K>1, где (αт/α0) становится выше 1.

Из графика видно, что увеличение сопротивления (зависимость ζт/ζ0 от K) происходит по мере роста K значительно быстрее, чем интенсификация теплоотдачи, особенно для турбулентного потока. Это предопределяет неблагоприятное соотношение между теплоотдачей и потерей напора в той области, которая представляет наибольший практический интерес, а именно в области высоких значений K , где можно достичь существенного повышения величины коэффициента теплоотдачи. График на рис. 3.17 иллюстрирует высказанные соображения.

По оси ординат графика (рис. 3.17) отложены значения Ω

– величины, пропорциональной отношению количеств тепла, переданного на единицу мощности, затрачиваемой на перемещение теплоносителя, в пульсационном потоке и в потоке без пульсаций; по оси абсцисс – значения K. Нижняя кривая выражает связь между Ω и K для турбулентного

137

квазистационарного пульсационного потока; верхняя – для такого же ламинарного потока. Прежде всего характерно, что во всей области K значения Ω<1; это означает, что при одинаковых потерях напора и соответственно при равных затратах мощности на перемещение теплоносителя количество тепла, передаваемого в канале с потоком, не подверженным пульсациям, будет больше, чем в канале с квазистационарным пульсационным потоком. Второй характерной особенностью графика (рис. 3.17) является резкое уменьшение Ω с увеличением K, что находится в отмеченной связи с графиком на рис. 3.16 и указывает на непропорциональное увеличение затрат мощности на интенсификацию теплоотдачи за счет пульсаций давления.

пульсационного потока [8]

138

Рис. 3.17. Зависимость Ω от K для квазистационарного пульсационного потока [8]

Квазистационарный пульсационный поток является идеализированной моделью, которая не учитывает физических явлений, рассмотренных в начале настоящего раздела и связанных с турбулизацией пограничного слоя. Степень влияния этих явлений может быть оценена лишь экспериментальным путем. Дополнительная интенсификация теплоотдачи, обусловленная указанными явлениями, выражена сравнительно слабо и принципиально не меняет той оценки рассматриваемого метода интенсификации теплоотдачи, которая вытекает и рассмотрения модели квазистационарного пульсационного потока. В то же время отмечается возможность в отдельных частных случаях успешного применения такого способа улучшения теплопередачи, например, когда вопрос о энергозатратах на

139