Искусственная турбулизация потока теплоносителя рассечением каналов теплообменной поверхности Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.9

В. Я. Васильев Астраханский государственный технический университет

ИСКУССТВЕННАЯ ТУРБУЛИЗАЦИЯ ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ РАССЕЧЕНИЕМ КАНАЛОВ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ Введение

В некруглых каналах ПРрс ТП с искусственной турбулизацией потока теплоносителя в определённых условиях реализуется процесс РИКТ, при котором рост тепловой характеристики Ки/Кигл опережает рост (или равен росту) аэродинамической характеристики 2/^л по отношению к соответствующим характеристикам гладкого канала при идентичных геометрии профилей поперечных сечений каналов и режимах течения в них потока теплоносителя.

Реализация процесса РИКТ в некруглых каналах ПРрс ТП обусловлена отрывом потока теплоносителя при его натекании на острые прямоугольные входные кромки рёбер множества коротких каналов с образованием пристеночных вихрей, имеющих масштаб, соизмеримый с толщиной пристеночного слоя, в котором срабатывается весь или почти весь градиент поля скоростей и температур [1-5]. Генерация вихрей, на внешней границе которых происходит основная выработка турбулентности, обусловливает в некруглых каналах ПРрс ТП отрыв потока теплоносителя с последующим присоединением и повторным развитием пограничного слоя с резко возросшими и сравнительно медленно затухающими турбулентными параметрами потока теплоносителя. В связи с этим область присоединения и повторного развития пограничного слоя обусловливает основной вклад в искусственную турбулизацию потока теплоносителя в тонком пристеночном слое и, следовательно, в процесс интенсификации конвективного теплообмена. Таким образом, при реализации процесса РИКТ в некруглых каналах ПРрс ТП дополнительная энергия подводится к потоку теплоносителя практически только в области пристеночного слоя, в котором в гладком канале значения турбулентных параметров потока малы или не существуют.

Конструкция опытного теплообменника

Для проведения экспериментального исследования тепловых и аэродинамических характеристик пластинчато-ребристых ТП были спроектированы и изготовлены опытные теплообменники, состоявшие из плоской трубки и рассечённых или гладкоканальной пластинчато-ребристых ТП с прямоугольным поперечным сечением каналов.

С целью более полного исключения влияния побочных факторов на характеристики исследованных ТП, при их изготовлении использовались специальные приспособления - матрицы и пуансоны, показанные на рис. 1, позволившие чётко выдержать постоянство заданных геометриче-

ских размеров и формы поперечных сечений каналов. ПРрс ТП 1...6

и 8__11 представлены размещёнными на плоских трубках рядами рёбер

(единичных гофров), следующих друг за другом без зазора и со смещением на величину, равную половине шага рёбер. Рёбра припаивались к поверхности плоской трубки припоем марки «А», обеспечивавшим хорошую адгезию как по отношению к материалу плоской трубки - сплаву АД-31, так и по отношению к алюминиевым сплавам АМг3, АМг5 и АВ, из которых изготавливались ребристые поверхности. Вид единичного гофра и элемента ПРрс ТП показаны на рис. 1 на примере ПРрс ТП 10. Для оценки РИКТ в каналах ПРрс ТП была изготовлена и испытана ПРгл ТП 7 [6].

Рис. 1. Матрицы и пуансоны для изготовления ПРрс 1...6, 8...11 и ПРгл 7 ТП (справа впереди единичный гофр и элемент ПРрс ТП 10)

Влияние изменения параметра рассечения каналов на теплоаэродинамическую эффективность рассечённой поверхности

Влияние изменения значений параметра рассечения каналов l/d на теплоаэродинамические характеристики ПРрс ТП получены при испытании поверхностей 1.6, характеризовавшихся одинаковыми значениями параметров щелевидности каналов h/u = 6,93 и относительной толщины ребра S/d = 0,0777 и отличавшихся только величиной параметра рассечения l/d = = variable (l/d = 0,65, 0,97, 1,30, 1,94, 2,77, 3,24). Результаты этих и последующих испытаний представлялись в виде зависимостей Nu = /(Re) и ^ = =/(Re), которые аппроксимировались степенными функциями вида Nu = = ARem и X = BRen. Значения коэффициентов A и B, а также показателей степени m и n определялись методом наименьших квадратов отклонений соответствующих функций Nu и X [7].

На рис. 2 приведены зависимости <^гл = /(Re), Nu/Nura = /(Re) и (Nu/Nura)/(<^ra) = /(Re), последняя из которых позволяет определить соблюдение условия РИКТ [6, 8, 9]. Изменения функций <^гл = /(Re) в диапазоне чисел Рейнольдса от 550 до 840.1 640 характеризуется постепенным увеличением их значений, что объясняется генерацией в этой зоне слаборазвитой турбулентности. С ростом величины критерия Рейнольдса в рассечённых каналах происходит быстрый рост интенсивности турбулентности и площади поперечного сечения канала, охваченного турбулентным течением потока теплоносителя. В то же время в гладком канале турбулентность имеет сравнительно низкий уровень интенсивности и ох-

ватывает меньшую площадь поперечного сечения канала. В результате в диапазоне чисел Рейнольдса от 840... 1 640 до 6 000 происходит существенный рост значений отношения Ъ/^тя, причём указанное отношение растёт тем быстрее, чем меньше величина параметра 1/<. При достижении значения Яе = 6 000 рост значений отношения ^гл всех исследованных ПРрс ТП практически прекращается ввиду того, что как в рассечённых каналах, так и в гладком относительное изменение интенсивности турбулентности при достижении развитого турбулентного режима течения теплоносителя практически не происходит. Поэтому зависимости ^гл = /(Яе) проходят примерно параллельно оси абсцисс.

Закон теплоотдачи, соответствующий переходному режиму течения теплоносителя, наступает в каналах ПРрс ТП фактически со значения Яе = 550 и существует до значений Яе = 1 680.3 550 (в зависимости от величины параметра рассечения). В то же время в гладком канале закон теплоотдачи до значения Яе = 2 340 соответствует ламинарному режиму течения, поэтому рост зна-124 ю яе ю 3 чений отношения Ми/Ыи, л в диапазоне зна-

Рис. 2. Зависимости чений Яе = 550...2 340 отмечается для всех

(Ки/Шгл)/(Х/Хгл) = /(Яе),

исследованных ПРрс ТП. Далее, с наступле-№/^гл =/(Яе) и ^/^гл =/(Яе) нием в гладком канале законов теплоотда-

для ПРрс ТП 1. 6 при чи для переходного (при 2 340 < Яе < 4 380)

<ИЪ = 12,87 и Ыи = 6,93 и турбулентного (при Яе > 4 380) режимов

течения теплоносителя рост значений отношения Ки/Ыигл прекращается и при значениях Яе > 4 380 значения отношения Ки/Кигл для всех исследованных ПРрс ТП уменьшаются. Действительно, в рассечённых каналах, характеризующихся малыми значениями параметра рассечения, наблюдается высокая интенсивность турбулентности потока теплоносителя (эффект вихреобразования вследствие искусственной турбулизации), которая слабо увеличивается при возрастании значения критерия Рейнольдса [7].

Влияние большого количества законов сопротивления X = В Яеп и теплоотдачи Ки = ^Яе“ для всех ПРрс ТП в исследованном диапазоне изменения значений критерия Рейнольдса приводит к весьма сложному характеру изменения зависимостей (Ки/Кигл)/(Х/Хгл) = /(Яе), имеющих важное значение для оценки теплоаэродинамической эффективности ПРрс ТП. Те из них, в каналах которых в соответствующих диапазонах по числам Рейнольдса, согласно методу [6], значения комплекса

(Ки/Кигл)Яе=;ает/(Х/^гл)Яе=;ает ^ 1, обеспечивают уменьшение объёма сердцевины теплообменника в режиме реализации процесса РИКТ при всех прочих равных условиях. Из графика (рис. 2) видно, что ПРрс ТП 6, 5 и 4 отве-

чают условию (Ки/Кигл)ке=мет/(^/£гл)ке=ыет ^ 1 в диапазоне значений критерия Рейнольдса от 600 до, соответственно, равных примерно 6 000, 4 400 и 3 400. Для ПРрс ТП 3 условие (Ки/№гл)яе=1ает/(^гл)яе=1ает ^ 1 выполняется при 1 000 £ Яе £ 2 400, для ПРрс ТП 1 и 2 во всем диапазоне испытаний по числам Рейнольдса выполняется условие (Ми/Ми™)^^^/^^)^^^ < 1.

Совместный анализ зависимостей (Ки/Мигл)/(£/£гл) = ХЯе) и Ми/Мигл = =ДЯе) показывает, что ПРрс ТП 3 (параметр рассечения 1,30) характеризуется самой высокой эффективностью и в диапазоне значений критерия Рейнольдса от 1 000 до 2 400 обеспечивает значения отношения Ми/№гл = = 2...2,6. причём, при значении критерия Рейнольдса 2 400 для этой ТП имеет место наибольшее значение отношения (Ми/Мигл)тах = 2,6. При этом предел рационального уменьшения величины параметра рассечения каналов составляет (//^)т1П = 1,3; дальнейшее уменьшение его величины не отвечает условию РИКТ. При //d < (//^)т1П = 1,3 коэффициент сопротивления £ увеличивается быстрее критерия Нуссельта.

Рассмотрение вариантов графических зависимостей ^гл = Же) и Ки/Шгл = ДКе), построенных при условии Яе = 1ёет, и определение координат точек их пересечения для случаев различных значений критерия Рейнольдса позволили получить зависимости //d = ХЯе) и (Ки/ЫиГл)тах = ЛЯе), представленные на рис. 3, для диапазона значений критерия Рейнольдса, соответствующего условию (Ми/Мигл)ке=1ает/(§/§гл)яе=1ает = 1 реализации РИКТ. Совместный анализ зависимостей (№/№гл)/(^гл) = У(Яе), (Ми/№гл)тах = ДЯе) и //d = У(Яе), построенных по результатам испытаний группы ПРрс ТП 1.. .6 с параметрами 5^ = 0,0777; к/ы = 6,93 и //d = уаг1аЫе (//d = 0,65, 0,97, 1,30, 1,94, 2,77, 3,24) для условий проведенных экспериментов, позволяет при проектировании теплообменников определять величины (Ми/№гл)тах и Яе при любой задаваемой в диапазоне значений от 1,23 до 3,23 величине параметра рассечения, отличной от частных значений //d, имевших место в эксперименте, при соблюдении условия (Ми/Мигл)ке=1ает/(£/£гл)ке=1ает = 1.

Влияние изменения параметра относительной толщины ребра на теплоаэродинамическую эффективность рассечённой поверхности

Влияние изменения значений параметра относительной толщины ребра 5^ на теплоаэродинамические характеристики ПРрс ТП получены при испытании поверхностей 8, 9, 3, 10, 11, характеризовавшихся практически одинаковыми значениями параметров щелевидности каналов (к/ы)т = 6,95 и рассечения (//d)m = (//d)mm = 1,30 (установлено по результатам первого этапа

0 1 2 3 4 5 6 Ле-Ю*3

Рис. 3. Зависимости (Ки/№гл)тах = ДЯе), //d =

=ДЯе), (Ки/№гл)/(^и = Же) для ПРРс ТП 1. 6 при d/5 = 12,87 и к/ы = 6,93

испытаний) и отличавшихся только величиной параметра относительной толщины ребра 5/d = уапаЫе (5/d = 0,1138, 0,0912, 0,0777, 0,0658, 0,0580).

Для оценки тепло аэродинамической эффективности исследованных ПРрс ТП 3, 8.11 на рис. 4 приведены зависимости Х/^гл = ЛЯе), Ки/Шгл = ЛЯе) и (Ки/№гл)/(^/Хгл) = ДКе), последняя из которых позволяет определить соблюдение условия РИКТ. Характерные особенности изменения зависимостей ^/^гл = Л^е), Ки/Шгл = ЛЯе) и (Ки/№гл)/(^гл) = У(Яе), рассмотренные выше, остаются в силе и для данного варианта испытания.

Анализ этих результатов показал, что влияние изменения значений параметра 5^ на теплоотдачу наиболее сильно проявляется в диапазоне значений критерия Рейнольдса от 550 до 3 500, а на коэффициент общих потерь давления - в диапазоне значений от 1 100 до 10 000. При этом с уменьшением значений параметра 5^ в диапазоне значений 5^ = 0,058.0,1138 для (//фт = (//^тш = 1,30 при Яе = 1ёет во всём исследованном диапазоне чисел Яе = = 500.10 000, значения безразмерного коэффициента теплоотдачи увеличиваются, а значения коэффициента общих потерь давления уменьшаются. Отмеченное объясняется тем, что при меньших исследованных значениях параметра 5^ = = 0,058.0,0777 для условий проведенных экспериментов сгенерированные на острых кромках рёбер коротких каналов вихри имеют относительно меньший масштаб и распространяются вдоль потока в основном только в области пристеночного слоя, увеличивая в нём турбулентные параметры потока 1т и ет. В результате в рассмотренных типоразмерах конструкций ПРрс ТП наиболее эффективно реализуется процесс интенсификации теплоотдачи при умеренных значениях коэффициента общих потерь давления, которые в основном определяются подводом дополнительной энергии к потоку теплоносителя в тонком пристеночном слое, не затрагивая ядра этого потока [8].

Для значений параметра 5^ > 0,0777 внешняя граница отрывной зоны удаляется от стенки канала, увеличивая толщину рециркуляционной области отрыва. В результате в непосредственной близости от стенки канала в рециркуляционной зоне отрыва уменьшаются значения турбулентных параметров потока 1т и ет, что приводит к уменьшению значений оценки интенсификации теплоотдачи. Кроме того, в области присоединения и последующего развития пограничного слоя значения турбулентных

Рис. 4. Зависимости

(ш/шГл)/(Х/Хгл) = ДЯе),

Ш/ШГл = ДЯе) и Х/Хгл = ДЯе) для ПРрс ТП 3,8.11 при (!/фт = = 1,30 и (к/ы)т = 6,95

параметров потока 1т и ет меньше в сравнении со случаем тонкого ребра, характеризующегося значениями 5/d £ 0,0777.

Отмеченное объясняется сравнительным уменьшением кинетической энергии присоединяющегося пограничного слоя и значений турбулентных пульсаций скорости в нём в области присоединения и, соответственно, в области последующего развития пограничного слоя. При этом масштаб сгенерированных вихрей увеличивается, а их распространение вдоль потока происходит как в области пристеночного слоя, так и в ядре потока, причём область ядра потока, занятая распространяющимися вихрями, с увеличением значений параметра 5/d > 0,0777 увеличивается. Как показано в [1-3], дополнительная энергия, подведенная к потоку на образование и распространение вихрей, расположенных за пределами пристеночного слоя, не способствует росту интенсификации конвективного теплообмена и приводит только к увеличению аэродинамического сопротивления.

Рассмотрение вариантов графических зависимостей ^гл = /(Re) и Nu/Nura = ./(Re), построенных при условии Re = idem, и определение координат точек их пересечения для случаев различных значений критерия Рейнольдса позволило получить зависимости d/5 = /(Re) и (Nu/Nura)max = /(Re), представленные на рис. 5, для диапазона значений критерия Рейнольдса, при условии (Nu/Nura)Re=idem/(X/Xra) Re=idem 1 реализации РИКТ. Совместный анализ зависимостей (Nu/Nura)/(£/Xra) =

=/(Re), (Nu/Nura)max = /(Re) и 5/d =

=/(Re), построенных по результатам испытаний группы ПРрс ТП 8,

9, 3, 10, 11 с параметрами (l/d)m =

(l/d)min = 1,30, (h/u)m = 6,95 и 5/d = variable (5/d = 0,1138, 0,0912,

0,0777, 0,0658, 0,0580) для условий проведенных экспериментов, позволил установить предел рационального уменьшения относительной толщины ребра (5/d)min = 0,061 и достигаемую при соблюдении условия

(Nu/Nura)Re=idem/(X/Xra)Re=idem = 1 и значении Re = 4 400 величину (Nu/Nura)max = = 2,78. Дальнейшее уменьшение величины параметра 5/d не отвечает условию РИКТ. Приведенные зависимости (Nu/Nura)/(^/Xra) = /(Re),

(Nu/Nura)max = /(Re) и 5/d = /(Re) позволяют при проектировании теплообменников определять величины (Nu/Nura)max и Re при любой задаваемой в диапазоне значений от 0,061 до 0,0787 величине параметра относительной толщины ребра, отличной от частных значений 5/d, имевших место

в эксперименте при соблюдении условия (Nu/Nu^)Re=idem/(X/Xra) Re=idem = 1.

/

/

|-£-d/S |

д

-0-(Nu/ Nur„)max

-о- (Nu/NurJl)/(q/qrjl)

0 1 2 3 4 Re-10'3

Рис. 5. Зависимости (Nu/Nura)max = =/(Re), d/5 = /(Re), (Nu/Nura)/(^) = =/(Re) для ПРрс ТП 3,8.11 при (l/d)m = 1,30 и (h/u)m = 6,95

Заключение

Получены данные о влиянии изменения значений основных безразмерных геометрических параметров на тепловые и аэродинамические характеристики ПРрс ТП с прямоугольными каналами в широком диапазоне изменения чисел Re = 600. 10 000. Установлены условия реализации процесса РИКТ, определяющейся условием (Nu/Nura)Re=idem/(£/£ra)Re=idem > 1 и надёжно управляемой изменением значений безразмерных геометрических параметров l/d и 5/d.

Для серии ПРрс ТП с параметрами 5/d = 0,0777, h/u = 6,93 и l/d = = variable (l/d = 0,65, 0,97, 1,30, 1,94, 2,77, 3,24) определены условия осуществления РИКТ, установлены при (Nu/Nura)Re=2400/(£/£m)Re=2400 = 1 предел рационального уменьшения величины параметра рассечения каналов (l/d)min = 1,30 и достигаемая величина (Nu/Nura)max = 2,6. При l/d < (l/d)min = = 1,30 коэффициент сопротивления £ увеличивается быстрее критерия Nu.

Исследование серии ПРрс ТП с параметрами (l/d)m = (l/d)min = 1,30, (h/u)m = 6,95 и 5/d = variable (5/d = 0,1138, 0,0912, 0,0777, 0,0658, 0,0580) позволило установить предел рационального уменьшения относительной толщины ребра (5/d)min = 0,061 и достигаемую при условии

(Nu/Nura)Re=4400/(£/£m)Re=4400 = 1 величину (Nu/Nura)max = 2,78.

Доказана возможность уменьшения объёма и массы сердцевины теплообменных аппаратов с рассечёнными каналами, работающих в режимах K ~ amin, предельно до 2,78 раза по сравнению с их гладкоканальными аналогами при всех прочих равных условиях.

Список обозначений

ПРгл и ПРрс - пластинчато-ребристые гладкоканальная и рассечённая ТП; РИКТ - рациональная интенсификация конвективного теплообмена;

ТП - теплообменная поверхность; d - эквивалентный гидравлический диаметр канала, м; h - высота канала, м;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К);

l - длина ребра, м;

u - расстояние между рёбрами, м;

h/u - параметр щелевидности прямоугольного канала;

l/d - параметр рассечения канала;

Nura, Nu - критерий Нуссельта ТП гладкоканальных и с искусственной тур-булизацией потока теплоносителя в каналах;

Re - критерий Рейнольдса;

a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К);

ет - коэффициент турбулентной вязкости, Па-с;

X - коэффициент турбулентной теплопроводности, Вт/(м-К);

£тл, £ - коэффициент общих потерь давления (на вход, выход и трение) ТП гладкоканальных и с искусственной турбулизацией потока теплоносителя в каналах; 5/d - относительная толщина ребра.

Индексы:

гл - указывает на отношение к гладкоканальной ТП;

max, m, min - максимальное, среднее и минимальное значения величины.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Михайлов А. И., Борисов В. В., Калинин Э. К. Газотурбинные установки замкнутого цикла. - М.: Изд-во АН СССР, 1962.

2. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. - М.: Машиностроение, 1990.

3. Воронин Г. И., Дубровский Е. В. Эффективные теплообменники. - М.: Машиностроение, 1973.

4. Васильев В. Я. Применение рассечённых поверхностей для повышения эффективности воздушных конденсаторов II Холодильная техника. - 19S9. - № S. -

С. 32-37.

5. Васильев В. Я. Высокоэффективные пластинчато-ребристые поверхности для воздушных конденсаторов транспортных холодильных установок ll Холодильная техника. - 199S. - № 10. - С. 10-11.

6. Dubrovsky E. V., Vasiliev V. Yu. A Method for Relative Comparison of Thermo-

hydraulic Efficincies of Heat Transfer Surfaces and Heat Exchangers ll Proceed-

ings of the Third International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. - Davos, Switzerland, 2001. P. 159-16S.

7. Васильев В. Я. Результаты исследования рациональной интенсификации конвективного теплообмена в прямоугольных каналах пластинчато-ребристых и трубчато-пластинчатых теплообменных поверхностей способами рассечения каналов и периодического дросселирования теплоносителя II Іурбулент-ные течения и тепломассоперенос в сложных условиях: Сб. тр. XXVII сибирского теплофизического семинара. - Новосибирск, 2004.

S. Dubrovsky E. V., Vasiliev V. Ya. Enhancement of Convective Heat Transfer in

Rectangular Ducts of Interrupted Surfaces ll Int. J. Heat and Mass Transfer. -

19SS. - V. 31, N 4. - P. S07-S1S.

9. Васильев В. Я. Физическая общность процесса рациональной интенсифика-

ции конвективного теплообмена в каналах различной формы поперечного сечения ll Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 1 (20). - С. 26S-273.

ARTIFICIAL TURBULIZING THE FLOW OF A HEAT CARRIER BY SCISSION OF FLOW PASSAGES OF HEAT-EXCHANGE SURFACES

V. Yа. Vasilyev

In aerodynamic tube of open type there has been done systematic experimental study of intensification of convective heat transfer in rectangular scissed flow passages of ten lamellar-ribbed heat-exchanged surfaces having values of determining geometric parameters lld = 0,65...3,24, Sld = 0,05S..., 114 and hlu = 6,93. It is shown that in tested scissed flow passages there realizes the process of rational intensification of the convective heat transfer determined by factor (NulNura) Re=idem II (£l£ra)Re=idem > 1 and reliably controlled by variating of values of given nondimentional geometric parameters. The obtained maximum value of rational intensification of convective heat transfer (NulNura ) max = 2,7S determines the possible decrease of volume and mass of the central part in heat transfer apparatuses with scissed flow passages operating in mode K к a min down to the limit 2,7S times compared to their plain flow passage analogues in equal conditions.