№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2011
УДК 536.24 + 532.5
© 2011 г. ЛЕОНТЬЕВ А.И., ОЛИМПИЕВ В.В.
ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛООБМЕНА
(ОБЗОР)
Представлен обзор отечественной и зарубежной литературы (преимущественно за период 2000—2010 гг.) по проблеме интенсификации теплообмена в каналах энергоустановок (поперечные и спиральные выступы, сферические выемки и выступы и др.). Обсуждены вопросы механизмов интенсификации, ламинарно-турбулентного перехода, особых режимов переноса тепла и импульса в интенсифицированных каналах. Проведена оценка влияния интенсификации на теплопроизводительность теплообменника. Рассмотрено реальное применение интенсификации в технике. Сформулированы задачи будущих исследований и технические рекомендации.
Введение. Аналитический документ "Целевое видение стратегии развития электроэнергетики России на период до 2030 г." [1], подготовленный ведущими специалистами РАН, объективно показал тяжелое производственно-технологическое, научно-техническое и экономическое состояние теплоэнергетики РФ (ТЭС, АЭС, ТЭК). Выход из сложившегося положения заключается, в частности, во всестороннем совершенствовании энерготехнологии, для этого необходимо повышать КПД теплосиловых установок, который в значительной мере определяется теплогидравлическими характеристиками многих теплообменных аппаратов (ТА), входящих в тепловую схему всех современных энергоустановок. Теплогидравлическое качество (эффективность) ТА
Е = Е '/Ел = №/МЦгЛ/(8 / 8гЛ) = №/8, Ел = бгл/(^гл А О,
где Е' — энергетические коэффициенты М.В. Кирпичева гладкостенного и интенсифицированного по теплообмену ТА; Ми — число Нуссельта; б — коэффициент сопротивления канала; Q, N — теплопроизводительность и мощность прокачивания; At — температурный напор поток-стенка. Эффективность ТА возможно улучшить внедрением в конструкцию ТА продуктивных интенсификаторов теплообмена (ИТ). Рациональное использование интенсификации теплообмена (ИТО) в ТА позволяет увеличить коэффициент Е' и, следовательно, снизить массогабаритные параметры ТА (ресурсосбережение), сократить мощность прокачивания теплоносителей (энергосбережение), что соответствует задачам энергетической стратегии РФ [1—4].
Основополагающие принципы ИТО в каналах при использовании в качестве ИТ искусственной шероховатости стенки базируются на результатах анализа структуры пограничного слоя (ПС). При турбулентном течении высота элемента шероховатости должна обеспечить разрушение или утонение (обновление) и турбулизацию пристенной зоны потока толщиной у + а 70, в которой теплопроводность является определяющим или вносящим существенный вклад способом теплопереноса. В ламинарном потоке коэффициент теплоотдачи записывается формулой а = Х/8( (к — коэффициент теплопроводности;
5( — толщина теплового ПС), из нее следует, что для ИТО необходимо уменьшение толщины (обновление) и турбулизация теплового ПС.
Позитивные факторы, сопутствующие применению ИТ, стимулируют дальнейшие исследования в области ИТО.
1. Обзор новых исследований перспективных ИТ 1.1. Поперечные и спиральные выступы
Фундаментальные исследования теплогидравлических свойств каналов с дискретными поперечными кольцевыми выступами проведены в МАИ [2, 3, 5], ЦКТИ [6] и ряде других организаций [7]. Изучение теплообмена, гидродинамики и потенциальных эффектов энергосбережения в ТА и каналах с поперечными выступами продолжены в работах [8—15].
Сложная гидродинамическая картина течения и недостаточная изученность механизмов переноса импульса, массы и тепла в каналах с выступами обусловили применение эмпирических расчетных соотношений для достоверного расчета проектируемых промышленных объектов. В отечественной литературе известна обширная база экспериментальных уравнений подобия, полученных Дрейцером Г.А. и другими, в американской — опытные соотношения Уэбба, Хана и др. Однако некоторые вопросы теплогидравлического расчета каналов с выступами на основе таких уравнений пока не разрешены. В частности, отсутствовало общепризнанное качественное и количественное представления относительно взаимосвязи интенсивности теплоотдачи, уровня сопротивления в интенсифицированном канале и формы поперечного сечения выступов — интенсификаторов теплообмена. Очевидно, что поиск оптимальной формы сечения выступов невозможен при отсутствии корреляционных уравнений для интенсивности процессов переноса и формы выступов. Указанная проблема экспериментально решена в трудах МАИ [5, 16—19]. Опыты выполнены для труб с поперечными кольцевыми накатанными выступами (внутри труб) в условиях: Яе = 3 • 103^4 • 105; й/Б = 0,85^0,97; г / Б = 0.3^2; теплоносители — воздух, вода, органические жидкости (Яе = ЖБ/у — число Рейнольдса; Ж — среднерасходная скорость; Б — внутренний диаметр трубы по гладкой части; V — коэффициент кинематической вязкости; с1 — диаметр горла выступа; ? — шаг выступов). Изучен широкий диапазон радиусов закруглений Т = г/Б = 0,03—0,42, описывающих профиль поперечного сечения выступа. (В предыдущих опытах МАИ й/БТ « 0,1.) Оказалось, что "плавный" профиль выступов снижает сопротивление на 15—30%, а теплоотдачу Ми — на ~15%. Следовательно, подтвердилось известное в литературе предположение: профиль выступа мало влияет на теплоотдачу в канале (при наличии отрыва потока) и в большей мере изменяет сопротивление потоку. Максимальный эффект теплоотдачи для газа и жидкостей
составил Ми < 4,2. Подтверждено явление стабилизации ("насыщения") теплоотдачи при увеличении высоты к = к/П выступов.
Вывод авторов МАИ: наибольший эффект влияния формы профиля выступа — тур-булизатора наблюдается для малых шагов накатки г/П = 0,3. Для шага г/П = 0,9 роль профилирования турбулизаторов снижается, и основной вклад в рост коэффициентов теплоотдачи и сопротивления вносят высота й/Б и шаг размещения турбулизаторов г / Б. В большинстве случаев наибольшее различие результатов для разных форм профилей (г/Б = 0,3—0,6) обнаружено для глубоко накатанных й/Б = 0.92^0,87, часто расположенных турбулизаторов в области развитого турбулентного течения при Яе > 2 • 104. Авторы работ МАИ полагают, что с ростом шага г/Б роль формы профиля уменьшается, так как при г/Б > 2 турбулизаторы перестают оказывать взаимное влияние во время генерации вихрей, превращаясь в отдельно стоящие гидравлические препятствия, форма профиля которых не так важна.
Не отвергая справедливость вывода авторов работ МАИ, при поиске объективной и строгой оценки вопроса сделать некоторое замечание.
При накатке выступов "плавного" профиля (увеличенный радиус закругления г/Б, утолщенный ролик), при частых и высоких выступах цилиндрический участок трубы между выступами существенно деформируется в бочкообразный. Форма продольного сечения стенки трубы изменяется относительно случая редких "острых" выступов, это показали измерения размеров стенки.
Можно предположить, что на сопротивление канала в определенной мере влияет деформация стенки трубы между выступами, а не только профиль выступов г/Б.
Действительно, для исследованных выступов относительно малой абсолютной к и относительной высоты к/Б можно заметить следующее.
Повышение коэффициента Е' интенсифицированного ТА возможно за счет рационального профилирования поперечного сечения выступов, так как основные гидропотери определяются местным сопротивлением выступов.
Известно, что обобщение многих опытных результатов в режиме полного проявления шероховатости (Кадер Б.А.) обнаружило возможность совпадения законов сопротивления для каналов с поперечными выступами при плавном профиле и наличии острых кромок поперечного сечения выступов (при одинаковых к). Из этих законов сопротивления следует, что разница в сопротивлении каналов со сглаженным профилем выступов и выступами, имеющими острые кромки, сокращается при уменьшении высоты выступов. Теоретические оценки коэффициента сопротивления выступа в турбулентном потоке при больших числах Яе (когда снижается влияние вязкости) свидетельствует, что форма профиля выступа не влияет на величину фь которая в этом случае зависит только от геометрического параметра к/Б. Это положение подтверждается рядом опытных работ.
Вопрос зависимости сопротивления канала от формы профиля выступов и степени деформации стенки трубы между ними требует дальнейшего изучения.
По результатам обсуждаемых опытных работ МАИ впервые для серийной промышленной технологии накатки выступов-интенсификаторов в трубах (по ВНИИметма-шу) предложены экспериментальные уравнения подобия, описывающие заметное влияние формы сечения выступов (т.е. формы накатывающего ролика) на теплоотдачу и сопротивление турбулентного потока в интенсифицированных каналах, они имеют вид
Ми; б = /(Яе; й/Б; г/ Б; Т).
Экспериментальная информация относительно значения профиля выступа, полученная в МАИ, интересна для развития фундаментальных представлений в области теории ИТО, выполнения уточненных практических теплогидравлических расчетов и оптимизации интенсифицированного теплообменного оборудования в авиационной промышленности, энергетике и других отраслях техники.
В работах [2, 3, 5] впервые экспериментально изучено влияние поперечных кольцевых канавок на наружной поверхности труб на теплоотдачу и гидросопротивление межтрубного потока в шахматных и коридорных пучках труб при одном и многих поперечных ходах межтрубного теплоносителя. Получены обобщающие уравнения подобия. Выяснилось, что канавки незначительно изменяют теплогидравлические характеристики межтрубного течения.
Авторы работ [16—19] получили новые научно-технические результаты по эффективности каналов (ТА) с поперечными выступами. Например, для условий Яе > 3 • 103; й/Б > 0,85; г/Б > 0,75 экспериментально достигнута значительно повышенная по
сравнению с [2] (для данного диапазона чисел Яе) величина Е' < 2,1. Результат опытов согласуется с предположением [15]: для существенного повышения эффективности ТА с поперечными выступами в интервале Яе = 103^104 необходимо использовать
большую высоту выступов по сравнению с [2]. В этом случае можно обеспечить E' > >2,1. Следовательно, для наращиван
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.