Конвективный теплообмен. Большая энциклопедия нефти и газа. Теплообмен в энергетических теплообменных аппаратах тепловых электрических станций

А.А.Коноплев, Г. Г.Алексанян, Б.Л.Рытов, акад. Ал. Ал. Берлин, Институт химической физики им. акад. Н.Н.Семенова Российской академии наук, г. Москва

Разработан, теоретически и экспериментально изучен новый эффективный метод интенсификации конвективного теплообмена в трубчатых теплообменниках, названный методом глубокого профилирования. Проведены испытания опытного лабораторного теплообменника, данные которых сопоставлены с аналогичными для ТТАИ. Все полученные результаты опубликованы в периодической научной печати. Показаны возможности применения метода для создания эффективных и компактных трубчатых теплообменников.

Проблема создания современного высокоэффективного и компактного теплообменного оборудования весьма актуальна сегодня, имеет важное и научное и практическое значение. Эта проблема тесно связана с проблемой интенсификации теплообмена, для решения которой предложены и, в той или иной степени, изучены несколько различных способов (см., например, ). Из которых, пожалуй, наиболее удачным, а также относительно простым и технологичным, способом оказалось профилирование теплообменных трубок кольцевыми выступами, накатанными по их поверхности. Способы же другие же, такие как, например, закрутка потоков в каналах, спиральные или продольные ребра и вставки, шероховатые поверхности и наложение колебаний на теплообменные потоки и т.п. оказались не столь эффективными. Также более интенсивному теплообмену способствует использование теплообменных труб малого диаметра. Так появившиеся сравнительно недавно на рынке теплообменного оборудования кожухотрубчатые теплообменники марки ТТАИ производства ООО «Теплообмен» с плотноупакованными пучками из гладких или профилированных накаткой тонкостенных стальных или титановых трубок (диаметром приблизительно 8 мм и стенками, толщиной 0,2-0,3 мм), размещаемых в межтрубном пространстве без перегородок, существенно превосходят все другие трубчатые, да и не только, теплообменники по тепловым и массогабаритным параметрам. Недостатки, проявляющиеся при их эксплуатации, связаны именно с тонкими стенками трубок и их малым диаметром. Это, например, прогиб и вибрации трубного пучка, трудности механической очистки, и т.п.

Интенсификация теплоотдачи трубного канала при профилировании его накаткой достигается за счет дополнительной турбулизации пристенных слоев жидкости, что приводит к увеличению коэффициента переноса тепла на стенку. Как найдено авторами накатки и рядом ее исследователей, оптимальным значением является приблизительно d/D»0.92-0.94. Большее сужение проходного сечения трубного канала, хотя и приводит к большему росту коэффициента переноса тепла на стенку, сопровождается заметно возрастающей диффузией турбулентности во внутренний объем канала, существенными потерями энергии на прокачку теплоносителя, и, по ныне устоявшемуся мнению, не нужно, ибо ядро потока теплоносителя в турбулентном режиме и так является достаточно турбулизованным.

Тем не менее, опираясь на опыт исследований тепломассопереноса при проведении химических реакций в турбулентных потоках (см., например, ), в ИХФ РАН было предположено, что и для интенсификации теплообмена вполне можно использовать турбулизацию всего потока, включая его ядро. Эта дополнительная турбулизация может быть осуществлена путем большего изменения величины проходного сечения, чем это считается допустимым для накатки. Предложенный метод был назван методом глубокого профилирования.

Сущность его заключается в том, что при интенсивной турбулизации всего потока в целом вблизи стенки, помимо увеличения коэффициента переноса, имеет место и увеличение градиента температуры (т.е., температурного напора, определяющего, наряду с коэффициентом, величину диффузионного потока тепла на стенку) за счет «выполаживания» ее радиального профиля. Исследования, проведенные в ИХФ РАН, показали, что несмотря на существенный рост потерь энергии на прокачку теплоносителя, могут быть найдены такие значения конструктивных и расходных параметров, учитывая при этом, что DP ~v 2 , а Nu~v m , где m <1, которые обеспечат приемлемые значения характеристик процесса теплообмена.

Результаты проведенных нами исследований опубликованы, см., например, . В целом они указывают на применимость метода глубокого профилирования для практического использования, и потому мы хотели бы ознакомить заинтересованного читателя с их, по крайней мере, основными результатами. Тем более, что на наш взгляд, именно этот метод представляется наиболее эффективным и перспективным среди известных на сегодняшний день.

Понятно, что правильный выбор того или иного метода интенсификации теплообмена при решении тех или иных технологических задач может быть осуществлен лишь на основе надлежащей оценки их свойств и параметров. Эта оценка, понимаемая часто как эффективность интенсификации, должна быть построена на соотнесении эффекта интенсификации и затрат на ее осуществление и носить сравнительный характер. Она может быть получена путем сопоставления данных для оцениваемого теплообменника (или его канала) с уже известными данными, в качестве которых чаще всего и удобнее всего использовать данные для гладкотрубных теплообменников (каналов).

Однако необходимо признать, что на сегодняшний день не существует не только общепризнанного метода оценки эффективности интенсификации теплообмена, не существует даже ее общепризнанного определения. На эту проблему часто вообще не обращают какого-либо внимания, ограничивая оценку интенсификации лишь приведением зависимостей вида:

, (1в)

Безусловно, в зависимостях (1) содержится вся информация, необходимая для оценок того или иного метода интенсификации, однако для оценок достаточно понятных и важных с практической точки зрения, только лишь этих зависимостей, вероятно, недостаточно.

В некоторых работах авторы предлагается оценивать эффективность интенсификации с помощью энергетического критерия Кирпичева E = Q/N , или некоторой его модификации E¢ = E /Dt , полагая, что при сравнении двух теплообменников, тот из них, теплообмен в котором интенсифицирован более эффективным способом, и должен обладать большим значением соответствующего критерия. Само же сравнение при этом должно проводиться при одинаковых числах Re и числах труб в теплообменниках, а также их длинах L и диаметрах D . Т.е., сравнивать необходимо в одинаковых условиях конструктивно идентичные теплообменники, отличающиеся лишь интенсификаторами в трубных каналах. Глобальные же параметры теплообменников, такие, как поверхность теплообмена F , тепловая мощность Q , мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя, N должны быть получены при проектировании и оценены впоследствии.

В этот вопрос рассматривается более подробно, и там же делается вывод о том, что коэффициент E¢ не следует «…классифицировать как простой и физически ясный, основополагающий критерий оценки эффективности интенсификации». При сравнении теплообменников он мало информативен, и потому малополезен, на наш взгляд.

В также выведены критерии для оценки эффективности интенсификации теплоотдачи, для сравнения F и F гл критерий имеет вид:

, (2а)

Однако здесь следует отметить одну неточность, заключающуюся в том, что если F , Nu/Nu гл, z/z гл определены в (2а) при числе Re интенсифицированного канала, то F гл, должно быть определено при числе Рейнольдса гладкотрубного канала Re гл, которое при Nu/Nu гл < z/z гл, не совпадает с Re и явным образом из (2а) не следует. Поэтому, использование для оценок выражения (2а) без учета зависимости

не является корректным и может приводить к ошибкам, причем тем большим, чем больше Re гл, а так же отличие Nu/Nu гл от z/z гл. Получить же зависимость (2б) или зависимость

, (2в)

можно не иначе, как в результате решения соответствующей системы уравнений.

Разделяя в целом подход к оценке эффективности интенсификации теплообмена как к сравнению основных параметров теплообменников, мы хотели бы внести в него некоторые уточнения и дополнения. Действительно, поскольку целью интенсификации теплообмена является его увеличение, приводящее в итоге к уменьшению теплообменной поверхности, то и оценивать ее необходимо именно по этому эффекту, т.е., по сокращению поверхности теплообмена. Однако, поскольку при интенсификации теплоотдачи, как правило, возрастают коэффициенты сопротивления, то оценку эффективности интенсификации необходимо производить при затратах на прокачку равных между собой, или же находящихся в каком-то ином, но вполне определенном соотношении. И, наконец, для получения оценок эффективности интенсификации теплообмена нет необходимости проводить сравнения по какому-либо из параметров гипотетических теплообменников, требуя равенства всех остальных. Для этих целей вполне достаточно сопоставления удельных, т.е., отнесенных к единице массы теплоносителя, характеристик.

Иными словами, сопоставление удельных поверхностей теплообмена при равных удельных затратах на прокачку теплоносителей, суммарных, для одной и той же задачи теплообмена, под которой понимается равенство входных и выходных температур для одних и тех же теплоносителей, расходы которых находятся также в одном и том же соотношении, позволяет сравнивать между собой теплообменники даже различных типов (например, кожухотрубчатые и пластинчатые), в том числе и оценивать метод интенсификации теплообмена.

Нами также была разработана новая методика, см., например, , обработки экспериментальных данных, применявшаяся затем во всех наших работах. Сущность ее заключается в том, что при зафиксированных двух из четырех независимых переменных теплообмена, например, t тр,вх и t мт,вх, и переменных двух других, например, G тр и G мт, из данных эксперимента можно найти продольные профили коэффициента теплопередачи K , коэффициентов теплоотдачи a тр и a мт, а также и всех других параметров теплообмена, аппроксимируя их какой-либо подходящей функцией, например, полиномом второй степени. Средние же значения при этом могут быть получены путем осреднения этих самых профилей. Практика применения этой методики показала, что полученные таким способом значения точнее получаемых непосредственно из соотношений критериальной модели.

ТЕПЛООБМЕННИКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ

Предложив метод глубокого профилирования для интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменниках, мы решили продемонстрировать его возможности на примере лабораторного теплообменника, сравнив полученные результаты с данными для теплообменника ТТАИ. Более подробно результаты описаны в , здесь же мы приведем их кратко.

Для испытаний был изготовлен теплообменник длиной L = 0.616 м, внутренний диаметр кожуха D мт которого был изменяем за счет специальных вставок и составлял 0.03, 0.032, 0.034 и 0.037 м. В экспериментах с гладкими трубками, использовался также теплообменник с D мт = 0.04 м. Семь медных трубок закреплялись в гексагональных трубных решетках, шаг S которых был пропорционален D мт, так что S = D мт /3, трубный пучок размещался по центру межтрубного пространства, и, таким образом, расстояние между кожухом и внешней трубкой пучка для всех его внешних трубок было одинаковым. При изготовлении профилированных трубок из гладких медных с наружным диаметром D н = 0.01 м и внутренним D = 0.008 м произошло некоторое их деформирование, вследствие чего их размеры изменились стали равными Dн = 0.0094 м и D = 0.0075 м.

Теплообменник ТТАИ-2-25/1450, выпущенный предприятием-изготовителем ООО «Теплообмен» с заводским номером 1970 для проведения сравнительных испытаний был любезно предоставлен генеральным директором НПО «Термэк» Александром Лаврентьевичем Наумовым, за что ему авторы глубоко признательны.

По паспортным данным нагреваемым каналом теплообменника является трубный, нагреваемой и греющей средами – пресная вода с начальными температурами 5°С и 105°С, расходами – 1.56 и 3.44 т/ч, соответственно, и выходной температурой нагреваемой среды 60°С, греющей – 80°С. Перепад давления по трубному пространству не превышает 0.3, по межтрубному – 0.25 кгс/см2. Трубный пучок, размещаемый под кожухом D мт = 0.0264, содержит 6 трубок с длиной омываемой их части 1.39 м, диаметром 0.008 м и стенками толщиной 0.2 мм, изготовленных из стали Х17Н13М2Т, (расчетное значение коэффициента теплопроводности l = 15 Вт/м К).

Конструктивно теплообменник выполнен с двумя входами в межтрубное пространство, разнесенными по его концам, и выходом из него посередине, так что через каждое поперечное сечение межтрубного канала протекает лишь половина полного расхода. Такая схема течения за счет 2-х кратного увеличения расхода теплоносителя греющего канала позволяет при сохранении затрат энергии на прокачку теплоносителя несколько увеличить температурный напор теплообмена и, таким образом, тепловую мощность аппарата по сравнению с вариантом с одним только входом.

Мы провели несколько экспериментов с теплообменником ТТАИ, в которых, полагая, что главной целью является оценка его коэффициентов теплообмена, оставили лишь один из входов в межтрубное пространство, используя другой как выход из него, закрыв при этом выход посередине. Таким образом, был получен теплообменник чисто противоточной схемы с теми же самыми коэффициентами теплообмена и затратами энергии на прокачку теплоносителей, что и у исходного теплообменника, а именно: K = 8.08 кВт/(м 2 К), G мт = 0.5 × 3.44 т/ч и DP мт = 0.5 кгс/см 2 . Подробнее смотри в .

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперименты с лабораторным теплообменником проводились в варианте с трубным нагреваемым каналом, аналогично условиям эксплуатации теплообменника ТТАИ. Методика проведения экспериментов и обработки полученных результатов кратко описана выше, подробнее смотри . Полученные результаты приведены в таблице 1, и на рис. 1.

Таблица 1. Теплообменники c ГП трубками. 1)

№ п/п	Параметры	D мт = 0.03		D мт = 0.032		D мт = 0.034		D мт = 0.037
		Данные эксперимента	Пересчет на условияя СР	Данные эксперимента	Пересчет на условияя СР	Данные эксперимента	Пересчет на условияя СР	Данные эксперимента	Пересчет на условияя СР
1	G
2	t вх
3	t ср
4	t вых
5	Dt	24.64	27.19	35.38	27.79	36.29	28.62	43.68	29.53
6	K	7.09	6.96	6.15	6.57	5.70	6.08	5.44	5.56
7	a
8	i a
9	v
10	10 -3 Re

Примечания:

1) – в числителе данных, приводимых в виде дроби, указаны значения для трубного канала, в знаменателе – для межтрубного;

Рис. 1. Зависимости коэффициентов теплообмена от эквивалентного диаметра: (а, б) – коэффициенты интенсификации теплоотдачи; (в) – коэффициент теплопередачи; 1 – 7-ми трубные теплообменники; 2 – 6-ти трубный теплообменник; 3 – аппроксимирующая кривая; 4 – среднее значение.

Остановимся на них несколько подробнее. Обычно сопоставление различных теплообменников проводят при одинаковых условиях, которые можно было бы назвать условиями «стандартного режима» (СР). Примем для режима СР в нашем случае следующие значения: входные температуры теплоносителей равными t тр, вх = 15°С и t мт, вх = 60°С, скорость потока в трубном канале v тр = 1 м/с, а соотношение G мт /G тр, оставим соответствующим одновходовому ТТАИ (смотри выше), т.е. G мт /G тр = 0.5´3.44/1.56. Пересчет полученных экспериментальных данных на стандартные условия производился в предположении, что зависимостью локальных коэффициентов интенсификаций теплоотдачи ia = ia(L) можно пренебречь, и в каждом конкретном случае использовать их средние значения ia, которые могут быть найденные при осреднении соответствующих продольных распределений (см., например, ).

На рис. 1 приведены данные для ia тр (рис. 1а), ia мт (рис. 1б) и K (рис. 1в) в зависимости от эквивалентного диаметра de мт. Экспериментальные данные (рис. 1а-1в, кривые 1), для K (рис. 1в) это данные, полученные при пересчете на условия СР, см. табл. 1, аппроксимированы полиномами 2-й степени f(x) = ax 2 + bx + c, (рис. 1а-1в, кривые 3), коэффициенты которых найдены из соответствующих данных. При этом относительные среднеквадратичные ошибки аппроксимации для ia тр, ia мт и K составили, соответственно, 1.6%, 1.8% и 0.3%.

Для ia тр и ia мт приведены также и средние значения (рис. 1а-1б, кривые 4). Относительные среднеквадратичные отклонения от средних значений составили 3.4% и 21.2% соответственно.

Таким образом из приведенных данных следует, что среднее значение ia тр = 3.84 и найденная зависимость ia мт = ia мт (de мт) приемлемым способом описывают теплообменные параметры наших профилированных теплообменников.

Также были проведены эксперименты по определению коэффициентов гидродинамического сопротивления. Полный перепад давления в канале теплообменника обычно представляется в виде суммы перепадов давления из-за сопротивления трения при течении рабочих сред в канале и перепада вследствие сопротивления входа/выхода канала. Для нахождения перепадов давления на сопротивлениях входа/выхода и определения отсюда локальных коэффициентов сопротивления z тр,лок и z мт,лок, были проведены эксперименты по определению потерь давления в теплообменниках с гладкими трубками с D н = 0.01 м и D = 0.008 м. Однако в этом случае по понятным причинам теплообменник с D мт = 0.03 м был заменен на теплообменник с D мт = 0.04 м.

Серия экспериментов, проведенных при разных расходах (скоростях) рабочих сред, позволила установить, что для наших теплообменников коэффициент локальных сопротивлений входа/выхода для трубного канала может быть определен как z тр,лок = 131Re –0.25 , а для межтрубного канала – z мт,лок = z мт,лок (de мт)Re –0.25 . Значения z мт,лок (de мт) для четырех экспериментальных теплообменников, приведенные на рис. 2а, кривая 1, также аппроксимированы полиномом 2-й степени (рис. 2а, кривая 3). В этом случае относительная среднеквадратичная ошибка аппроксимации составила 2.2%.

Рис. 2. Зависимости коэффициентов гидродинамического сопротивления от эквивалентного диаметра: (а) – теплообменники с гладкими трубками; (б) – теплообменники с профилированными трубками; 1 – 7-ми трубные теплообменники; 2 – 6-ти трубный теплообменник; 3 – аппроксимирующая кривая.

В предположении равенства коэффициентов локальных сопротивлений входа/выхода для теплообменников с гладкими и профилированными трубками, коэффициенты сопротивления трения в профилированных каналах, определяемые как z тр = (z/z гл) тр × z гл,тр и z мт = (z/z гл) мт × z гл,мт, могут быть найдены из результатов аналогичных экспериментов для теплообменников с профилированными трубками. Так были найдены (z/z гл) тр = 14.9 и экспериментальная зависимость для (z/z гл) мт = (z/z гл) мт (de мт), показанная на рис. 2б, кривая 1. Аппроксимация последней также приведена на рис. 2б, кривая 3, относительная среднеквадратичная ошибка аппроксимации в данном случае составила 0.5%.

Кроме описанных выше экспериментов с 7-ми трубными теплообменниками, были также проведены эксперименты с 6-ти трубным теплообменником, полученным путем удаления центральной трубки у 7-ми трубного теплообменника с D мт = 0.032 м, и, таким образом, конфигурация трубного пучка нашего теплообменника была аналогична конфигурации трубного пучка теплообменника ТТАИ.

Результаты экспериментов, проведенных с этим теплообменником, показаны на рис. 1-2, кривые 2, в виде нанесенных на них экспериментальных точек. Отметим, что имеет место достаточно хорошее совпадение результатов как по коэффициентам теплообмена, так и по коэффициентам сопротивления, см. рис. 1-2. Так относительные отклонения по абсолютной величине составляют 0.3% для ia тр (отклонения от среднего значения, рис. 1а, кривая 4), 5.2% – для ia мт (отклонения от аппроксимирующей кривой, рис. 1б, кривая 3), 4.6% – для K (рис. 1в, кривая 3), 0.5% – для z мт,лок (рис. 2а, кривая 3) и 5.1% для (z/z гл) тр (рис. 2б, кривая 3).

Таким образом, используя найденные в эксперименте данные, можно построить некоторый метод расчета теплообменников с плотноупакованным пучком ГП трубок (по крайней мере, 6-ти и 7-ми трубных) и сравнить их с теплообменником ТТАИ. В этих расчетах входные температуры теплоносителей и соотношения их расходов соответствовали паспортным данным для ТТАИ, а полученные результаты сравнивались с результатами расчетов теплообменника ТТАИ для его одновходового варианта.

В табл. 2 приведены результаты расчетов, полученные для ГП трубок, аналогичных трубкам ТТАИ (материал, диаметр, стенка). В варианте 1 (табл. 2) замена трубок ТТАИ на трубки ГП приводит к росту удельных затрат энергии на прокачку теплоносителей w/w ТТАИ = 1.51 и росту коэффициента эффективности k/k ТТАИ = 1.34. (в смысле , в данном случае k/k ТТАИ = K/K ТТАИ). В варианте 2 уменьшение расхода до G/G ТТАИ = 0.812 выравнивает удельные затраты на прокачку, оставляя при этом коэффициент эффективности k/k ТТАИ = 1.16 еще сравнительно высоким.

Таблица 2. Сравнение ТТАИ и теплообменников с ГП трубками.

№ п/п	Параметры	ТТАИ 1)	Теплообменники с ГП трубками
			Вариант 1 2)	Вариант 2 3)	Вариант 3	Вариант 4
1	n	6	6	6	6	7
2	10 3 D мт	26.4	26.4	26.4	25.4	27.2
3	G 4)
4	G тр /G тр,ТТАИ	1	1	0.812	0.788	0.911
5	w /w ТТАИ	1	1.51	1	1	1
6	L 5)
7	L /D	183	136	128	123	121
8	F 5)
9	F/V 5)
10	F /G тр 5)
11	K 5)
12	iK	1.51	1.61	1.63	1.52	1.52
13	Q /F	429	577	497	502	506
14	v 4)
15	10 -3 Re 4)
16	a 4)
17	i a 4)
18	k /k ТТАИ	1	1.34	1.16	1.17	1.18

Примечания:

1) – оценка по критериальной модели с коррекцией;

2) – замена трубок ТТАИ на трубки ГП;

3) – то же для случая равенства удельных затрат на прокачку теплоносителей затратам для ТТАИ;

4) – в числителе дроби указано значение для трубного канала, в знаменателе – для межтрубного;

5) – в числителе дроби указано значение величины, в знаменателе – ее отношение к величине для ТТАИ.

В варианте 3 (табл. 2) показано, что D мт = 0.0254 м можно даже несколько уменьшить, а в варианте 4 – что можно использовать и 7-ми трубный пучок, при этом k/k ТТАИ = 1.17-1.18 даже несколько возрастает. Немного более возрастает поверхность теплообмена в единице объема (F/V)/(F/V) ТТАИ = 1.08-1.10 и уменьшается удельная поверхность (F/G)/(F/G) ТТАИ = 0.854-0.847. При этом во всех рассмотренных вариантах длина теплообменника не превышает L/L ТТАИ = 0.75 (см. табл. 2).

Аналогично проведем также расчеты для теплообменников с 7-ми трубным пучком плотноупакованных ГП трубок размерами 10/0.8, 12/1 и 16/1 из меди, латуни и стали. Упомянутые выше условия по входным температурам теплоносителей и соотношению расходов G тр /G мт = (G тр /G мт) ТТАИ, дополним требованием равенства удельных затрат энергии на прокачку теплоносителей w/w ТТАИ = 1.

Найденные на этих условиях параметры теплообменников оптимальны для каждой из рассмотренных трубок, результаты расчетов представлены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры теплообменников с трубками ГП. 1)

№ п/п		Трубка 10/0.8			Трубка 12/1			Трубка 16/1
1	Материал стенки 2)	медь	латунь	сталь	медь	латунь	сталь	медь	латунь	Сталь
2	10 3 D мт	32.8		33	39		39.4	51.5		52.2
3	G 3)
4	G тр /G тр,ТТАИ	1.20	1.17	1.03	1.64	1.60	1.38	2.71	2.66	2.36
5	L 4)
6	L /D	104	109	152	98.4	105	157	88.5	94.3	142
7	F 4)
8	F /V 4)
9	F/G тр 4)
10	K 4)
11	iK	1.65	1.60	1.37	1.82	1.73	1.40	2.17	2.01	1.51
12	Q /F	577	537	337	582	532	308	574	527	310
13	v 3)
14	10 -3 Re 3)
15	a 3)
16	i a 3)
17	k /k ТТАИ	1.31	1.22	0.77	1.32	1.21	0.70	1.31	1.20	0.71

Примечания:

1) – здесь принято G мт /G тр = (G мт /G тр) ТТАИ, w = w ТТАИ;

2) – значения l для меди, латуни и стали приняты равными 390, 110 и 15, соответственно;

3) – в числителе дроби указано значение для трубного канала, в знаменателе – для межтрубного;

4) – в числителе дроби указано значение величины, в знаменателе – ее отношение к величине для ТТАИ.

Для всех рассчитанных размеров трубок из латуни и меди эффективность теплообмена выше, чем у теплообменника ТТАИ – k/k ТТАИ = K/K ТТАИ = 1.2-1.3, и остается приблизительно одинаковой, за счет роста теплоотдачи в межтрубном пространстве a мт, связанного прежде всего с ростом ее интенсификации ia мт (табл. 3). Вследствие этого уменьшается удельная поверхность теплообмена F/G тр и безразмерная длина теплообменников L/D, однако в силу больших диаметров трубок, величина поверхности в единице объема F/V падает (табл. 3). Можно также отметить, что из приводимых в табл. 3 данных следует, что при увеличении диаметра трубки отношение коэффициентов теплоотдачи a мт /a тр возрастает, приближаясь к единице.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, из приводимых в настоящей работе экспериментальных и расчетных, построенных на их основе, данных следует, что использование глубоко профилированных трубок в плотноупакованном пучке без перегородок в межтрубном пространстве может привести к созданию весьма эффективных теплообменных аппаратов. Причем величина диаметра теплообменной трубки слабо влияет на тепловые параметры, ее увеличение лишь уменьшает содержание теплообменной поверхности в единице объема теплообменника.

Поиск оптимальных параметров глубокого профилирования теплообменных трубок трубчатых теплообменников на наш взгляд является важной задачей, и ее также следовало бы продолжить.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

D - диаметр внутренний, характерный размер, м;

de - диаметр эквивалентный, м;

F - поверхность теплообмена, м 2 ;

G - расход теплоносителя, кг/с;

i a - i a = a/a гл = Nu/Nu гл, параметр интенсификации теплоотдачи;

К – коэффициент теплопередачи, кВт/(м 2 К);

k – коэффициент эффективности;

L - длина теплообмена, м;

N - потери мощности на прокачку теплоносителя, Вт;

Q - тепловой поток, Вт;

S - расстояние между осями трубок, м;

s - проходное сечение, м 2 ;

t - температура, °С;

t d - шаг профилирования, м;

V - объем теплообменника, м 3 ;

v - скорость, м/с;

w - w = (N тр +N мт)/G тр, полные удельные затраты на прокачку, Дж/кг;

a – коэффициент теплоотдачи, кВт/(м 2 К);

Dp – перепад давления, Па;

r – плотность, кг/м 3 ;

l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);

z – коэффициент гидродинамического сопротивления;

Nu - критерий Нуссельта;

Re - критерий Рейнольдса.

вх – на входе в канал;

вых – на выходе из канала;

км – критериальная модель;

лок – локальное значение;

мт – межтрубный канал;

н – наружный (диаметр);

cр – среднее значение;

тр – трубный канал;

Литература

1. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И. и др. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах. М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008.

2 Калинин Э.К, Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1998.

3. Берлин Ал.Ал., Минскер К.С., Дюмаев К.М. Новые унифицированные энерго- и ресурсосберегающие высокопроизводительные технологии повышенной экологической чистоты на основе трубчатых турбулентных реакторов. М.: ОАО «НИИТЭХИМ», 1996.

4. Коноплев А.А., Алексанян Г.Г., Рытов Б.Л., Берлин Ал.Ал.. Эффективный метод интенсификации конвективного теплообмена. // Теорет. основы хим. технологии. 2004. Т. 38. №6. С. 634.

5. Коноплев А.А., Алексанян Г.Г., Рытов Б.Л., Берлин Ал.Ал.. Конвективный теплообмен в глубоко профилированных каналах. // Теорет. основы хим. технологии. 2007. Т. 41. №5. С. 549.

6. Коноплев А.А., Алексанян Г.Г., Рытов Б.Л., Берлин Ал.Ал.. Расчет локальных параметров интенсифицированного теплообмена. // Теорет. основы хим. технологии. 2007. Т. 41. №6. С. 692.

7. Коноплев А.А., Алексанян Г.Г., Рытов Б.Л., Берлин Ал.Ал.. Об эффективности интенсификации теплообмена глубоким профилированием. // Теорет. основы хим. технологии. 2012. Т. 46. №1. С. 24.

8. Коноплев А.А., Алексанян Г.Г., Рытов Б.Л., Берлин Ал.Ал.. О компактности трубчатых теплообменников. // Теорет. основы хим. технологии. 2012. Т. 46. №6. С. 639.

9. Коноплев А.А., Алексанян Г.Г., Рытов Б.Л., Берлин Ал.Ал.. Об эффективных трубчатых теплообменниках. // Теорет. основы хим. технологии. 2015. Т. 49. №1. С. 65.

Интенсификация процессов теплообмена и повышение энергетической эффективности устройств, в которых эти процессы протекают, являются лейтмотивом развития теплообменных аппаратов.

Задачи интенсификации теплообмена сводятся к уменьшению габаритов и массы теплообменных устройств или к снижению температурного напора по сравнению с их величиной, которая достигается в данных условиях обычными путями. Если увеличение скорости потока в пределах, допустимых на практике, не обеспечивает получения необходимых габаритов теплообменного устройства, то необходима интенсификация теплообмена методами, которые обеспечат уменьшение габаритов при умеренном увеличении суммарных потерь мощности на прокачку теплоносителей через теплообменные аппараты.

Выделяются два направления интенсификации. Одно из них связано с увеличением теплового потока без учета дополнительных потерь энергии.

Второе направление связано с увеличением теплового потока при заданной величине энергии, затрачиваемой на перекачку теплоносителя, т. е. с увеличением эффективности теплоотдачи. Оно становится особенно важным для стационарно работающих теплообменных аппаратов большой мощности.

Теплообменные аппараты, в которых используется выбранный метод интенсификации теплообмена, должны быть пригодны для серийного производства, достаточно надежны и эффективны в эксплуатации.

Как известно, при взаимодействии твердой теплопередающей непроницаемой поверхности с омывающим ее потоком образуется пограничный слой, оказывающий основное сопротивление теплопередаче. Чем больше толщина теплового пограничного слоя и чем ниже теплопроводность теплоносителя, тем меньше теплоотдача. Увеличить теплосъем можно разными путями, в первую очередь подбором теплоносителя, поскольку Nu ~ Рг п.

Определив теплоноситель с учетом его теплофизических свойств, можно рассматривать вопрос интенсификации теплообмена за счет выбора надлежащего гидродинамического режима. Наивыгоднейшим в отношении теплообмена гидродинамическим режимом является турбулентный или переходной режим в пограничном слое, но естественное развитие турбулентности начинается при весьма высокой скорости потока, а следовательно, и значительном гидравлическом сопротивлении. Поэтому во многих случаях для интенсификации конвективного теплообмена необходима либо искусственная турбулизация пограничного слоя, позволяющая перенести процесс теплообмена из ламинарной области в турбулентную, либо уменьшение толщины или разрушение пограничного слоя.

Наибольшего прироста теплоотдачи можно достичь с увеличением скорости теплоносителя, особенно в условиях турбулентного течения. С увеличением скорости потока, а соответственно и числа Re значительно возрастает коэффициент теплоотдачи по периметру трубы. Вместе с тем для достижения больших скоростей потока теплоносителя приходится затрачивать большие мощности энергии на его прокачку. Поэтому применяются искусственные способы интенсификации теплоотдачи.

Методы интенсификации конвективного теплообмена можно разделить на пассивные, активные и сложные.

К пассивным методам относятся: применение оребренных и других развитых поверхностей теплообмена на стороне теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи, использование разных турбулизирующих планок, завихрителей или шероховатых поверхностей теплообмена, уменьшающих толщину пограничного слоя или разрушающих его.

Активные методы требуют применения дополнительной внешней энергии.

Сложные методы имеют место при одновременном использовании не менее двух отдельных методов интенсификации конвективного теплообмена, например в случае применения шероховатых труб со вставками, закручивающими поток, вибрирующих оребренных труб и т. д.

Одним из эффективных путей интенсификации теплообмена является искусственная турбулизация потока. Турбулизация потока значительно сказывается на теплообмене при ламинарном пограничном слое. Вместе с тем с развитием турбулентного пограничного слоя уменьшается вихревая зона отрыва и гидравлическое сопротивление падает. При турбулентном течении применение прямой турбулизации потока менее выгодно. Например, турбулизатор в трубе в несколько раз сильнее увеличивает перепад давления, чем теплоотдачу, а протяженность зон действия этого турбулизатора не превышает 10--12 диаметров.

Важным фактором на пути увеличения теплосъема является подбор оптимальной геометрии и типа теплообменной поверхности. Технология обработки алюминия и других металлов дает возможность сконструировать каналы любых форм, и в настоящее время наиболее качественным примером этого служат пластинчатые теплообменники.

Если коэффициент теплоотдачи одного теплоносителя значительно превышает коэффициент теплоотдачи другого теплоносителя, то следует применять оребрение. В настоящее время разработано много конструкций оребренных труб как с поперечными, так и с продольными ребрами. Эффективными являются ребра, которые дают малое гидравлическое сопротивление.

Все шире применяются шероховатые трубы. Суть интенсификации теплообмена посредством применения шероховатых поверхностей заключается в разрушении элементами шероховатости вязкого подслоя при турбулентном движении, а также в повышении неустойчивости пограничного слоя, вследствие чего при прочих равных условиях переход из ламинарного течения в турбулентное на шероховатой поверхности наступает при меньшем числе Re, чем на гладкой.

Для интенсификации теплообменных процессов в компактных аппаратах с продольно-обтекаемыми пучками труб предложено использовать трубы с поперечными кольцевыми канавками, изготовленными накаткой (рис. 2.1).

Рис. 2.1.

d -- наружный диаметр труб, d l -- диаметр кольцевой канавки, t -- шаг кольцевых канавок

Преимущества этого способа интенсификации теплообмена по- сравнению с другими способами следующие: а) образующиеся внутри трубы диафрагмы после накатки снаружи кольцевых канавок существенно интенсифицируют теплообмен в трубе, б) технологически способ осуществляется несложно, к тому же не надо менять существующую технологию сборки трубчатых теплообменников, в) он применим при больших удельных тепловых потоках и в тесных пучках труб, поскольку не увеличивает наружного диаметра труб. Применение данного способа интенсификации теплообмена наиболее целесообразно в диапазоне относительных шагов труб s/d = 1,1 ?1,3. В пучках с s/d >l,3 оптимальная интенсификация в межтрубном пространстве обеспечивается при высотах кольцевых диафрагм внутри трубы выше оптимальных и, следовательно, при значительных потерях давления внутри трубы. Оптимальная же интенсификация теплообмена внутри трубы дает незначительную его интенсификацию снаружи труб.

В кожухотрубных теплообменниках для интенсификации теплообмена применяются винтообразно закрученные продольно- и поперечно-обтекаемые трубы. Установлено, что причинами интенсификации теплоотдачи являются сложные течения в межтрубном пространстве от ядра потока к стенке и от стенки в ядро, приводящие к непрерывному обмену массами теплоносителя в поперечном сечении пучка, а также существенная турбулизация потока по сравнению с гладкотрубным пучком, обусловленная еще и неравномерностью скорости в ядре потока.

На рис. 2.2 представлена схема кожухотрубного теплообменного аппарата повышенной эффективности, предназначенного для использования на предприятиях химической промышленности, где требуется обеспечить высокую интенсификацию процессов теплообмена и перемешивание теплоносителей при их циркуляции по трубам и в межтрубном пространстве. Аппарат состоит из винтообразно закрученных профильных труб (1), закрепленных прямыми круглыми концами в трубных досках (2). Профиль труб выполнен в виде овала. Трубы соприкасаются в местах максимального размера овала, что обеспечивает высокую вибропрочность конструкции аппарата. При циркуляции теплоносителей по трубам и в межтрубном пространстве осуществляется спиральная закрутка потоков. Теплоотдача теплообменника данной конструкции на 50% выше, а объем на 30% меньше по сравнению с гладкотрубным теплообменник

В кожухотрубных аппаратах, особенно типа «жидкость--газ», для обеспечения в трубах и межтрубном пространстве одинаковых предельных значений коэффициентов теплоотдачи в межтрубном пространстве устанавливаются перегородки, а внутри труб -- разные вставки, которые турбулизируют пристенный слой потока и тем самым снижают термическое сопротивление. Применяются вставки разных типов: в виде дисков, колец, диафрагм, спиралей, винтообразно закрученной проволоки и т.д.

Влияние на теплообмен трубы и пластины ультразвуковых волн частотой 27--697 кГц, перпендикулярных потоку, при вынужденной конвекции экспериментально исследовалось. Скорость потока воды или масла изменялась от 0,07 до 1,0 м/с. Максимальное увеличение теплоотдачи, достигавшее 80%, было получено на тонкой пластине в условиях стоячих волн, где с увеличением интенсивности ультразвука теплообмен повышается, а с ростом скорости потока при той же интенсивности ее влияние понижается. Анализ результатов, полученных при частоте 697 кГц, показал, что теплообмен улучшается вследствие турбулизирующего действия микротечений у поверхности теплообмена. С увеличением скорости потока турбулизирующее действие поля ультразвуковых волн становится незначительным по сравнению с турбулизирующим действием самого потока. Поэтому применение ультразвука для интенсификации конвективного теплообмена имеет смысл только при низких скоростях потока.

Высшего образования

(ДРТИ ФГБОУ СПО «АГТУ»)

Направление подготовки

Монтаж и техническая эксплуатация холодильных установок _________

КУРСОВАЯ РАБОТА

КР_______ 15.02.06 _______.00.00.00.ПЗ

Расчёт коэффициента теплоотдачи с наружной стенки. Для лабораторного _ стенда при заданных условиях. ______________________________________________

(название темы)

Работа допущена к защите «27 » Марта 2017г.

Работа выполнена студентом группы 431 ____

__________________ __ Фомин В.А. ____

Подпись (Фамилия И.О.)

Научный руководитель работы, .__________ ________

Подпись (Фамилия И.О.)

Рыбное 2017

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования

«Астраханский государственный технический университет»

Дмитровский рыбохозяйственный технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения среднего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет»

(ДРТИ ФГБОУ СПО «АГТУ»)

З А Д А Н И Е

на выполнение курсовой работы

Студенту учебной группы ___431 __ДРТИ ФГБОУ СПО «АГТУ»

__________________Фомину Владимиру Александровичу ______________________

(фамилия, имя, отчество - полностью)

ТЕМА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Расчёт коэффициента теплоотдачи с наружной стенки. ____________

Для лабораторного стенда при заданных условиях _______________

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Вт,

Температура воды на входе в трубу конденсатора _____21,8 о С,

Температура конденсации холодильного агента __ 100 о С,

Массовый расход воды через трубу конденсатора _____0,0001 кг/с,

Наружный диаметр экспериментальной трубы ___0,0156 м,

Внутренний диаметр экспериментальной трубы 0,018 м,

Представление курсовой работы руководителю «27 » Марта 2017 г.

Дата защиты « _ » ______________ 2017 г.

Введение

Конденсация - переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного. Максимальная температура, ниже которой происходит конденсация, называется критической.

По мере прохождения по трубе пар постепенно конденсируется и на стенках образуется пленка конденсата. При этом расход пара G" и его скорость в связи с уменьшением массы пара уменьшаются по длине трубы, а расход конденсата G увеличивается. При увеличении скорости пара интенсивность теплоотдачи растет. Это объясняется уменьшением толщины конденсатной пленки, которая под воздействием парового потока течёт быстрее. Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. При конденсации в трубах паровой объем ограничен стенками трубы. Трубы могут быть достаточно длинными и в них может конденсироваться большое количество пара. Возникает направленное движение пара, причем скорости последнего могут быть очень велики (до 100 м/с и более). При конденсации в трубах различают режимы полной и частичной конденсации пара. В первом случае весь поступающий в трубу пар конденсируется целиком, и на выходе из трубы движется сплошной поток конденсата. При частичной конденсации на выходе из трубы течет парожидкостная смесь.

Для возникновения объемной конденсации пар должен быть перенасыщен – его плотность должна превышать плотность насыщенного пара. При этом в паре необходимо наличие мельчайших пылинок (аэрозолей), которые служат готовыми центрами конденсации. Для превращения каждого килограмма насыщенного пара в жидкость необходимо отвести тепло.

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара. При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т. к. при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром.

Учебно-лабораторные стенды – это необходимая материально-техническая база, востребованная как начальными и средними, так и высшими учебными заведениями. Такая база позволяет наглядно демонстрировать различные процессы, обеспечивая эффективную образовательную деятельность.Лабораторные стенды используются в качестве наглядного пособия, а также помогают лучше усваивать предмет изучения. И помогает в исследовании

многих тепловых установок. Так же стенд обеспечивает максимальную
наглядность изучаемой схемы и происходящего в ней процесса. Стенды помогают в подготовке высококвалифицированных кадров, вооруженных современными знаниями, практическими навыками. Выполнение учащимися практических работ является важным средством более глубокого усвоения и изучения учебного материала, а также приобретения практических навыков.

Испарение - процесс перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости.

Испарение - эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода - теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Так же Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение.

Скорость испарения зависит от:

1. площади поверхности жидкости.

2. температуры (увеличивается), хотя происходит при любой температуре и не требует постоянного притока тепла. При испарении Температура жидкости уменьшается.

3. движения молекул над поверхностью жидкости или газа,

4. рода вещества.

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (т. е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением.

Интенсификация теплообмена

Интенсификация - процесс и организация развития производства, в котором применяются наиболее эффективные средства производства, а также расширение производства. Процесс преобразования расхода ресурсов, а также применение нового оборудования позволяет вызвать рост производительности.

Интенсификация теплопередачи представляет собой одну из важнейших технических задач, так как увеличение коэффициента теплопередачи позволяет при заданной тепловой производительности и температурах теплоносителей уменьшить поверхность теплообмена, а значит, снизить массу, размеры и стоимость теплообменного аппарата увеличение значения К в существующих аппаратах позволяет увеличить их тепловую производительность

Во многих отраслях техники задача интенсификации процесса теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов весьма актуальна. Для интенсификации процессов теплообмена применяют следующие приемы:

· Предотвращение отложений (шлама, солей, коррозионных окислов) путем систематической промывки, чистки и специальной обработки поверхностей теплообмена и предварительного отделения из теплоносителей веществ, и примесей, дающих отложения;

· Продувка трубного и межтрубного пространств от инертных газов, резко снижающих теплообмен при конденсации паров;

· Оребрение поверхности теплообмена, целесообразное как для повышения коэффициента теплопередачи, так и для снижения массы теплообменника. Поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая поверхность несущих трубок, не подвержена одностороннему давлению, а поэтому ребра можно выполнять из более тонкого материала, чем стенки труб, и этим достичь значительного снижения массы аппарата и расхода мета

Следствием интенсификации процессов теплообмена является увеличение коэффициента теплопередачи, который при чистых поверхностях теплообмена определяется коэффициентами теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей. Во многих случаях физико-химические свойства применяемых теплоносителей существенно различаются, не одинаковы их давление и температура, коэффициенты теплоотдачи. Так, значение коэффициента теплоотдачи со стороны воды α = 2000…7000 Вт/(м 2 ·К), со стороны газового теплоносителя α ≤ 200 Вт/(м 2 ·К), для вязких жидкостей α = 100…600 Вт/(м 2 ·К). Очевидно, что интенсификация теплоотдачи должна осуществляться со стороны теплоносителя, имеющего малое значение коэффициента теплоотдачи. При одинаковом порядке значений коэффициентов теплоотдачи теплоносителей интенсификация теплоотдачи может осуществляться с обеих сторон теплообмена, но с учетом эксплуатационных и технических возможностей.

Обычно интенсификация теплоотдачи связана с ростом затрат энергии на преодоление увеличивающихся гидравлических сопротивлений. Поэтому одним из главных показателей, характеризующих целесообразность интенсификации теплоотдачи в теплообменниках, является ее энергетическая эффективность. Повышение интенсивности теплоотдачи должно быть соизмеримо с увеличением гидравлических сопротивлений.

Применяют следующие основные способы интенсификации теплообмена:

конструирование шероховатых поверхностей и поверхностей сложной формы, способствующих турбулизации потока в пристенном слое;

использование турбулизирующих вставок в каналах;

увеличение площади поверхности теплообмена путем оребрения;

воздействие на поток теплоносителя электрическим, магнитным и ультразвуковым полями;

турбулизацию пристенного слоя путем организации пульсаций скорости набегающего потока и его закрутки;

механическое воздействие на поверхность теплообмена путем ее вращения и вибрации;

применение зернистой насадки как в неподвижном, так и в псевдоподвижном состоянии;

добавление в теплоноситель твердых частиц или газовых пузырьков.

Возможность и целесообразность применения того или иного способа интенсификации для конкретных условий определяются техническими возможностями и эффективностью этого способа.

Одним из наиболее широко используемых способов интенсификации теплообмена (повышения теплового потока) является оребрение наружной поверхности труб при условии направления в межтрубное пространство теплоносителя с низким значением коэффициента теплоотдачи.

Схемы некоторых устройств, используемых для интенсификации теплоотдачи в трубах, приведены в табл. 7.1.

7.1. Схемы устройств, применяемых для интенсификации

теплоотдачи

Оребрение		Оребрение
Закрученная		Труба с винтообразными плавно очерченными выступами
Непрерывный шнековый завихритель		Витая труба
Кольцевой канал типа диффузор-конфузор		Чередующиеся плавно очерченные кольцевые выступы на внутренней поверхности гладкой трубы

Применяют лопаточные завихрители, прерывистые шнековые завихрители с различной формой центрального тела и др. Следует отметить, что одновременно с увеличением коэффициента теплоотдачи на 30…40 % имеет место повышение гидравлического сопротивления в 1,5-2,5 раза. Объясняется это тем, что диссипация энергии при распадении масштабных вихревых структур (они возникают при закрутке потока) существенно превышает выработку турбулентности – на подпитку ослабевающих вихрей нужен непрерывный подвод энергии извне.

Установлено, что при турбулентном и переходном режимах течения целесообразно интенсифицировать турбулентные пульсации не в ядре потока, а в пристенном слое, где турбулентная теплопроводность мала, а плотность теплового потока максимальна, потому что на этот слой приходится 60…70% располагаемого температурного напора «стенка-жидкость». Чем больше число Р r , тем на более тонкий слой целесообразно воздействовать.

Перечисленные рекомендации могут быть реализованы путем создания каким-либо способом, например, накаткой чередующихся плавно очерченных кольцевых выступов на внутренней поверхности гладкой трубы. Для капельных жидкостей с Р r = 2…80 наилучшие результаты были получены при t вс /d вн = 0,25…0,5 и d вс /d вн = 0,94…0,98. Так, при R е = 10 5 теплоотдача возрастает в 2,0-2,6 раза при росте гидравлического сопротивления в 2,7-5,0 раз по сравнению с теплоотдачей гладкой трубы. Для воздуха хорошие результаты получены при t вс /d вн = 0,5…1,0 и d вс /d вн = 0,9…0,92: в переходной области течения (R е = 2000…5000) отмечен рост теплоотдачи в 2,8…3,5 раза при увеличении сопротивления в 2,8-4,5 раза (сравнивается с гладкой трубой).

Методы механического воздействия на поверхность теплообмена и воздействия на поток электрического, ультразвукового и магнитного полей изучены еще недостаточно.

Конвективный теплообмен

Конвекция – это перемещение тепла за счет перемещения конкретных макроскопических объемов жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в жидкости (или газе) от поверхности твердого тела или к поверхности его одновременно конвекцией и теплопроводностью. Такой случай распространения тепла называют также теплоотдачей соприкосновением или просто теплоотдачей.

Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичней осуществляется перемешивание ее частиц. Т. о. Конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости.

По природе возникновение различают два вида характера движение жидкости:

1. Свободное движение жидкости (т. е. естественная конвекция ) – возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости и определяется физическими свойствами жидкости, ее объемом и разностями температур нагретых и холодных частиц.

2. Вынужденное (принудительное) движение жидкости (принудительная конвекция) возникает под действием какого-либо постороннего возбудителя, например насоса, вентилятора. Оно определяется физическими свойствами жидкости, ее скоростью, формой и размерами канала, в котором осуществляется движение.

В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. Как известно, имеются два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйчатый характер. При турбулентном – движение неупорядоченное, вихревое. Для процессов теплоотдачи режим движения рабочей жидкости имеет очень большое значение, так как им определяется механизм переноса тепла.

Механизм передачи тепла конвекцией

(конвективный теплообмен)

Рассмотрим процесс передачи тепла конвекцией и теплопроводностью от поверхности твердого тела к омывающему ее потоку жидкости (или газа) либо, наоборот, от потока к твердому телу, например стенке теплообменного аппарата.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Механизм переноса тепла в ядре потока при турбулентном движении среды характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, которое приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значения t ср (t ср1 или t ср2). Соответственно перенос тепла в ядре определяется, прежде всего характером движения теплоносителя, но зависит также от его тепловых свойств. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою. Т. о. по мере приближения к стенке все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком ламинарном тепловом подслое) перенос тепла осуществляется только теплопроводностью.

Тепловым пограничным подслоем считается пристенный слой, в котором влияние турбулентных пульсаций на перенос тепла становится пренебрежимо малым.

Следует отличать, что интенсивность т/отдачи определяется, в основном, термическим сопротивлением пристенного подслоя, которое по сравнению с термическим сопротивлением ядра оказывается определяющим.

При турбулентном движении жидкости теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном. С повышением турбулентности потока перемешивание усиливается, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и увеличению количества передаваемого тепла.

Одной из практических задач в технике является развитие турбулентности при движении теплоносителей.

Цель развития турбулентности в теплообменной аппаратуре – снижение толщины теплового пограничного подслоя, в этом случае процесс лимитируется только конвекцией.

Количество тепла, переносимого молекулярной теплопроводностью определяется по закону Фурье:

t – температура на границе

Тепло, переносимое конвекцией определяют по закону Ньютона или закону теплоотдачи:

(2)

Количество тепла, передаваемое поверхностью F, имеющей температуру t ст окружающей среде с температурой t ср прямопропорционально поверхности теплообмена и разности температур м/у t ст и t ср окружающей среды.

За счет турбулентных пульсаций идет выравнивание температур и можно приравнять .

Приравняв (1) и (2) уравнение получим:

Но величина трудноопределимая.

коэффициент теплоотдачи , [Вт/м 2 ·К] – показывает, какое количество тепла передается от 1 м 2 поверхности стенки к жидкости при разности температур между стенкой и жидкостью в один градус.

Величина характеризует интенсивность переноса тепла между поверхностью тела, например твердой стенки и окружающей средой (капельной жидкостью или газом).

Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

Скорости жидкости , ее плотности и вязкости , т. е. переменных, определяющих режим течения жидкости;

Тепловых свойств жидкости (уд. теплоемкости С р, теплопроводности ), а также коэффициента объемного расширения ;