Для создания наиболее компактных и эффективных теплообменных аппаратов применяется интенсификация теплообмена.
Объектом исследования в данном реферате являются кольцевые каналы с турбулизаторами потока, периодически расположенными на внутренней поверхности трубы, в которых осуществляется турбулентное движение теплоносителя.
Цель данной работы — теоретическое расчётное исследование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении теплоносителей с постоянными теплофизическими свойствами в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе.
В результате исследования были получены решения для интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении теплоносителей в вышеуказанных каналах.
Также полученные в данном исследовании решения сравниваются с существующим экспериментальным материалом.
Применение разработанных расчётных методов интенсифицированного теплообмена позволит снизить металлоёмкость и габариты, а также температуру стенок перспективных теплообменных аппаратов.
1. Интенсификация теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах
теплообмен турбулентный канал кольцевой
Интенсификация теплообмена в кольцевых каналах достигается, в основном, двумя путями: турбулизацией потока и развитием поверхности теплообмена [1-2]. С не меньшим успехом может применяться комбинации вышеупомянутых методов интенсификации.
Способ интенсификации теплообмена, связанный с развитием поверхности теплообмена, в большинстве случаев приводит к значительному увеличению стоимости труб по сравнению с гладкими трубами. В то же время он может быть неэффективен при определённых режимных и физических параметрах процесса теплообмена, а именно:
- эти устройства для интенсификации теплообмена имеют значительные по сравнению с несущей трубой размеры, что делает невозможным их применение в узких кольцевых каналах;
- данные устройства целесообразно применять при малых плотностях теплового потока, когда термическое сопротивление оребрения несущественно — с ростом тепловых потоков эффективность оребрения резко падает;
- оребрение целесообразно применять только в том случае, когда коэффициент теплоотдачи снаружи трубы во много раз меньше коэффициента теплоотдачи внутри трубы;
- эффективность оребрения резко снижается при использовании материалов с низкой теплопроводностью (например, для нержавеющих сталей);
- промышленное изготовление оребрённых труб гораздо сложнее, чем гладких, поэтому они обладают более высокой стоимостью по сравнению с гладкими.
Интенсификация теплообмена в кольцевых каналах посредством установки поверхностных турбулизаторов [1-2] лишена перечисленных выше недостатков, присущих развитию поверхности теплообмена [1-2].
Термическое упрочнение поверхностей лазерным излучением
... поверхностей сплавов, приводит к повышению коррозионной стойкости зон обработки. При лазерном упрочнении ... Реферат на тему: «Лазерное упрочнение» Подготовила: студентка группы ТиУВ-08 Ковальская Анна Проверил: Гулаков С.В. Мариуполь 2012 Лазерное упрочнение Преимущества лазерного упрочнения ... поверхности. Закалка непрерывным лазером обеспечивает большую равномерность упрочнения поверхности по сравнению ...
Интенсификация теплообмена путём турбулизации потока не требует существенного увеличения наружного диаметра труб и поэтому применима в любых кольцевых каналах.
Изготовление турбулизаторов на наружной поверхности труб не связано со значительными технологическими трудностями.
Наибольшее распространение получили турбулизаторы в виде колец из проволоки, надетых на гладкую трубу, проволочных спиралей, намотанных на трубу или в виде треугольной нарезки [1-2].
Интенсификация теплообмена путём турбулизации потока увеличивается с ростом числа Рейнольдса: при росте гидравлического сопротивления в 2,7-5 раз максимальное увеличение теплоотдачи составляет 2ё2-5 раза [1].
Резюмируя, можно сделать следующий вывод: оптимальным методом интенсификации теплообмена в кольцевых каналах является применение поперечного оребрения, который позволяет существенно интенсифицировать теплоотдачу при умеренном росте гидравлического сопротивления.
Учитывая вышесказанное, может быть поставлена следующая задача исследования: необходимо разработать методику расчёта теплообмена и гидравлического сопротивления для условий данного метода интенсификации теплообмена — установки периодически расположенных поверхностных турбулизаторов на внутренней трубе.
2. Математическая модель интенсифицированного теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами
Моделирование теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах за счёт турбулизации потока производится по методике, аналогичной методике, применённой для круглых труб с турбулизаторами [3-5]. При моделировании теплообмена для кольцевого канала, интенсифицированного посредством периодически расположенных турбулизаторов на поверхности внутренней трубы, будут справедливы все допущения, характерные для круглых труб с турбулизаторами, указанные в [3-5].
Течение в кольцевом канале при наличии поверхностных турбулизаторов рассматривается как стабилизированное турбулентное течение.
Турбулентный поток в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе моделируется посредством семислойной схемы турбулентного пограничного слоя (рис. 1).
Подслои, расположенные от внутренней трубы до линии максимальной скорости условно классифицируем как внутренние, а от внешней трубы — как внешние.
Отличительной особенностью моделируемого течения в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе (рис. 1) от моделируемого течения в круглой трубе с турбулизаторами следует признать только в разнице определяющих параметров: скорость потока должна определяться по сечению канала.
Рис. 1. Разбиение потока в кольцевом канале с турбулизаторами на слои
Теплообменник «труба в трубе»
... внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена. Преимущества двухтрубного теплообменника: ... выбора эластичных химически стойких материалов для прокладок. 1.3 Теплообменник типа «труба в трубе» Теплообменник "труба в трубе" включают несколько расположенных друг над другом элементов, ...
Детерминируем вышеуказанное послойное деление потока в кольцевом канале с турбулизаторами, для которых справедливы следующие отношения турбулентной и молекулярной вязкостей и пофилей скорости.
1. Вязкий подслой (внутренний), расположенный в окрестности
2. Промежуточный подслой (внутренний), расположенный в окрестности
3. Вихревое ядро во впадине (внутреннее), расположенное в окрестности
4. Турбулентное ядро (внутреннее), расположенное в окрестности
5. Турбулентное ядро (внешнее), расположенное в окрестности
6. Промежуточный подслой (внешний), расположенный в окрестности
7. Вязкий подслой (внешний), расположенный в окрестности
Число Нуссельта при стабилизированном течении для внутренней стенки Nu1 кольцевого канала с двусторонним подводом тепла, согласно [6], равно:
- где — число Нуссельта при обогреве только внутренней стенки;
- заданное отношение тепловых потоков при наружном и внутреннем обогреве соответственно.
Таким образом, для расчёта теплообмена в кольцевом канале с турбулизаторами необходимо определить и для всего кольца. Интегралы для и , согласно [6], равны:
При расчёте теплообмена для круглой трубы с турбулизаторами в [3, 7, 8] было показано, что использование допущения
незначительно влияет на окончательный результат расчёта теплообмена — точно такой же вывод можно сделать и для теплообмена для условий трубы с турбулизаторами на внутренней трубе.
Согласно принципу аддитивности, выражения для и при рассмотрении семислойной схемы турбулентного пограничного слоя примут вид:
После этого, для решения задачи о теплообмене для кольцевого канала с турбулизаторами на внутренней трубе с двусторонним подводом тепла необходимо решить вопрос о нахождении радиуса максимальной скорости rm для данных условий течения.
Cтрого говоря, для этого необходимо решать уравнение количества движения для этих условий.
Другой подход заключается в использовании совокупности эмпирических зависимостей относительно такого рода течений. Так как в данном исследовании используется вполне обоснованное допущение
и радиус максимальной скорости располагается в области турбулентного ядра, то будет справедливо следующее:
Последние зависимости позволяют решить задачу теплообмена для всего турбулентного ядра, не определяя термического сопротивления отдельно для внутреннего и внешнего турбулентных ядер, не имеющих самостоятельного значения.
После вычисления данных интегралов, в [3] были получены аналитические зависимости для [(Иc11)?]i и [(Иa.c1)?]i для всех слоев используемой семислойной схемы турбулентного пограничного слоя, которые здесь не приводятся в силу их крайней громоздкости.
При относительно больших расстояниях между отдельными турбулизаторами регулярные вихри будут занимать только небольшую часть расстояния между ними. Поэтому схема с вихревым ядром в этом случае не будет справедливой: в этом случае граница вихревого ядра во впадине будет не линия y=h, а линия .
Следовательно, когда высота турбулизаторов меньше толщины промежуточной области, т.е. в случае
имеет место элиминирование вихревого ядра во впадине.
3. Сопоставление теоретических данных по интенсифицированному теплообмену для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе, полученных по семислойной схеме турбулентного пограничного слоя с экспериментальными данными
Конвективный теплообмен
... в направлении стенки переносится только теплопроводностью. 2.Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена На основании рассмотренного выше представления о процессах переноса теплоты ... турбулентный определяется значением безразмерного комплекса, называемого числом Рейнольдса: где w - скорость движения жидкости; н -- коэффициент кинематической вязкости 1 ; l -- характерный размер канала ...
Расчётные значения для теплообмена для воздуха в кольцевом канале с турбулизаторами на внутренней трубе сравниваются с соответствующими экспериментальными данными различных авторов, наиболее полно представленными в [1-2].
На рис. 2 расчётные данные по теплообмену для канала R1=0,52 для воздуха с Pr=0,72 при Re=105 в зависимости от относительного шага между турбулизаторами t/h, полученные по семислойной схеме потока сравниваются с экспериментом Фиерштейна и Рампфа для прямоугольных рёбер, приведённым в [1-2], для различных относительных высот турбулизаторов: А — h/dэ=0,0492; Б — h/dэ=0,0328; В — h/dэ=0,0264
Как видно из рис. 2, расчётные данные хорошо согласуются c экспериментом практически для всего представленного диапазона шагов между турбулизаторами; только в области широкого шага между турбулизаторами имеет место незначительное расхождение.
Рис. 2
В дальнейшем диапазон сопоставления теории с экспериментом был значительно расширен. Было проведено обширное сопоставление расчётных данных по интенсифицированному теплообмену в кольцевых каналах с турбулизаторами с экспериментальными [1-2] (для более 200 значений) для широкого диапазона определяющих параметров, которое указывает на вполне удовлетворительную корреляцию между ними.
4. Основные выводы
Была описана математическая модель интенсифицированного теплообмена для кольцевых каналов с турбулизаторами на внутренней трубе, основанная на семислойном моделировании турбулентного пограничного слоя.
Получены аналитические решения данной задачи.
Полученные результаты вполне удовлетворительно согласуются с существующими экспериментальными данными и имеют перед ними неоспоримое преимущество, поскольку допущения, принятые при их выводе, охватывают гораздо более широкий диапазон определяющих параметров, чем ограничения, имеющиеся в экспериментах.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/intensifikatsiya-teploobmena/
1. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. — М.: Машиностроение, 1972. — 220 с.
2. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп, А.С. Мякочин — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 408 с.
3. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. — М., 2005. — 632 с.
4. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей в условиях интенсификации теплообмена // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. — М., 2002. — С. 140-143.
5. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование изотермического теплообмена при турбулентном течении в каналах в условиях интенсификации теплообмена // Теплоэнергетика. — 2003. — № 1. — С.54-60.
6. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалёв С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 470 с.
Теплообмен человека с окружающей средой
... кожи потовыми железами и при дыхании. Величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным ... - получили название параметров микроклимата. 1.1 Терморегуляция организма человека Основными параметрами, обеспечивающими процесс теплообмена с окружающей средой являются параметры микроклимата. В естественных ...
7. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами с помощью семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Доклады Академии Наук. -2005. — Т. 402. — № 2. — С. 184-188.
8. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами с помощью семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XV Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. — М.: МЭИ, 2005. — T.1. — С. 103-106.
