Теплообменная труба

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники. В теплообменной трубе канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями: l₂=(90-100)h; l₁=(90-100)h; l'/l₁=0,05; h/D=0.03, где l₂ - длина канавки, мм; l₁ - длина выступа, мм; l' - длина участка выступа между неглубокими канавками, мм; h - высота выступа, мм; D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм. Технический результат - повышение энергетической эффективности за счет снижения гидросопротивления. 4 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники.

Известна теплообменная труба [Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Абдрахманов А.Р. Расчет турбулентной теплоотдачи и сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками. // Изв. вузов. Авиационная техника. 1997. №3. С.56-68], канал которой выполнен с узкими кольцевыми канавками на внутренней поверхности трубы (канал «1»). В этом канале взаимодействие потока и стенки и существо механизма ИТО (интенсификации теплообмена) полностью определяется теплообменом и трением в пристенных внутренних пограничных слоях (ВПС) 1 и 2, турбулизацию которых обеспечивает рециркуляционная зона (РЗ). Совершенство механизма ИТО заключается в том, что в канале РЗ размещена в канавке, что позволяет сократить размеры РЗ. Опыты с кольцевыми канавками проведены только для наружной поверхности труб в межтрубном потоке теплообменного аппарата (ТА), в ограниченном диапазоне характеристических параметров - $$\overline{t}\le 20$$ ; Re=3·10³-2·10⁴, где $$\overline{t}=t/h$$ - относительный шаг выступов, Re - число Рейнольдса.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является теплообменная труба [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор). // Теплофизика высоких температур. 2007. №6. С.925-953], канал которой выполнен с выступами и канавками (канал «2»). В канале «2» в качестве интенсификатора теплообмена (ИТ) служат узкие выступы на внутренней поверхности трубы (l<t, где l - длина канавки, t - длина типового участка канала с выступом и канавкой). Идея схемы потока следующая. После каждого выступа образуется РЗ1, на поверхности которой и далее за точкой присоединения x_k≈6h, где h - высота выступа, развивается турбулентный внутренний пограничный слой - ВПС1 (толщиной δ). Под РЗ1 формируется возвратный ВПС2 (Малая Р32 не учитывается). Участок канала с шагом t - типовой (повторяющийся). Теплогидродинамическое взаимодействие потока со стенкой полностью определяется процессами переноса внутри ВПС1 и 2. Основной вклад в интенсификацию теплообмена вносят факторы повышенной теплоотдачи в зоне присоединения и малого термического сопротивления тонкого обновленного турбулизированного ВПС1 за точкой присоединения. Главное назначение отрывной рециркуляционной области течения - РЗ1 - производство дополнительной турбулентности, воздействие которой на обновленный ВПС1 стимулирует процесс теплообмена около стенки (Отрыв потока, обновление ПС и образование РЗ1 - результат действия выступа).

Недостатком известных теплообменных труб является высокое гидросопротивление и низкая эффективность.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической эффективности за счет снижения гидросопротивления.

Технический результат достигается тем, что в теплообменной трубе, согласно заявляемому изобретению, канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями

l₂=(90-100)h; l₁=(90-100)h; l'/l₁=0,05; h/D=0.03,

где

l₂ - длина канавки, мм,

l₁ - длина выступа, мм,

l'- длина участка выступа между неглубокими канавками, мм,

h - высота выступа, мм,

D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей, где на фиг.1 изображен канал предлагаемой теплообменной трубы (канал «3»), на фиг.2, 3, 4, табл.1 показаны результаты расчетов эффективности (интенсивность теплоотдачи, коэффициент гидравлического сопротивления, относительный энергетический коэффициент) каналов «7», «2» и «3».

Таким образом, для достижения технического результата предложена заявляемая конструкция теплообменной трубы, канал которой (канал «3») является последовательностью широких канавок l₂=(90-100)h и широких выступов l₁=(90-100)h, на выступах которого в качестве дополнительных ИТ используются дискретные поперечные к потоку канавки 4 (одна или несколько). Модель течения (и механизм ИТО) в канале «3» основывается на тонких (обновленных) внутренних пограничных слоях - ВПС1, ВПС2 и ВПС3, которые турбулизируются (под воздействием внешней турбулентности) вихревыми возмущениями от рециркуляционной зоны РЗ1, образующейся за обратным уступом при входе потока в канавку (l₂), и возмущениями, возникающими на прямом уступе при натекании потока на выступ (Р32) и канавкой 4. При h/D<0.05 происходит быстрая перестройка ВПС1 и ВПС3 к состоянию «стандартного» турбулентного ПС (ТПС) на гладкой стенке [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) // ТВТ. 2007. №6. С.925-953]. При соотношениях толщин соответствующих пограничных слоев и пристенное течение в канале можно рассматривать как течение на плоской стенке, и для расчета ВПС воспользоваться моделью пограничного слоя на пластине. Предлагаемая в данной работе модель расчета канала «3», построенная на основе представлений по ВПС, подобна тем, формирующимся при обтекании ИТ, что использовались в [Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления турбулентного потока в дискретно шероховатых каналах. //Изв. вузов. Авиационная техника. 1991. №4. С.69-72. Олимпиев В.В. Анализ результатов расчета по модели внутренних пограничных слоев теплоотдачи и сопротивления труб с поперечными кольцевыми выступами.// Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. №3. С.103-106].

Расчет канала «3» строится следующим образом. Местные коэффициенты теплоотдачи для ВПС1 на отрезке от х_к до l₂ вычисляются по соотношению

где число Нуссельта Nu_x=α_x/λ; х - текущая координата; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя (жидкости); Re_x=wx/v; w - среднерасходная скорость жидкости в канале; ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости; T_w, T_f - температуры стенки и потока.

Затем вводится поправка α_хист,α_x, учитывающая влияние внешней турбулентности Tu на теплоотдачу в ВПС1 [Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука. 1982]

$$n_1=3.71\cdot {10}^{-3}T{u}_{\max }^{1.41}$$ ,

где α_хист - истинное значение коэффициента местной теплоотдачи; Tu - локальное значение степени турбулентности; Tu_max=10% (или 0.1) [Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления турбулентного потока в дискретно шероховатых каналах // Изв. вузов. Авиационная техника. 1991. №4. С.69-72. Олимпиев В.В. Анализ результатов расчета по модели внутренних пограничных слоев теплоотдачи и сопротивления труб с поперечными кольцевыми выступами // Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. №3. С.103-106.], Tu_max - максимальное значение Tu.

Местные коэффициент сопротивления и касательное напряжение τ_wx трения для ВПС1 рассчитываются по формулам

$$\frac{c_{fx}}{2}=\frac{0.029}{{\mathrm{Re}}_x^{0.2}};\left(\text{3}\right)$$

где ρ - плотность теплоносителя.

Расчет для ВПС3 (на отрезках l') проводится аналогично ВПС1.

Локальные коэффициенты теплоотдачи для ВПС2 (на длине РЗ1 - L) вычисляются с помощью универсальной функции для обратного уступа α_x2/α_xk=f(x/x_k) [Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. / Под общ. ред. B.C. Авдуевского и др. М.: Машиностроение. 1992.], где рассчитывается по формуле (1) при x=x_k. Трение для ВПС2 рассчитывается аналогично.

Осреднение местных параметров ВПС1, ВПС2 и ВПС3 позволяет получить средние значения коэффициента теплоотдачи α и касательного напряжения трения τ_w на участке t (и во всем канале).

Суммарные потери давления на этом участке можно рассчитать по формуле

где Δp_mp=R_mp/(πD²/4) - потери давления на трение, R_mp=πDtτ_w - сила трения; Δp_p и Δp_c - местные потери давления на внезапные расширение и сужение канала при обтекании канавки l₂ (определяются по [Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение. 1992]). Коэффициент сопротивления ξ на участке t (и во всем канале) рассчитывается из формулы Дарси

Расчеты проводились для тех же условий, что и в [Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи // Изв. РАН. Энергетика. 2002. №3. С.102-118]. Относительная высота выступа была принята из рекомендованного в [Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп, А.С. Мякочин. М.: Энергоатомиздат, 1998.] диапазона, а число Рейнольдса составляла 10⁴-10⁶. Были проведены многовариантные расчеты с различными сочетаниями геометрических параметров ИТ для каналов всех типов. При расчете канала «3» параметр l'/l₁ изменялся в пределах 0-1.

В качестве критерия эффективности канала и оптимального выбора размера ИТ, как и в работах [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) //ТВТ. 2007. №6. С.925-953. Rudy M.P. et all. Developments in Enhanceed Heat Transfer Technology from a Petroleum Industry Perspective in 2012// Proceedings of the ASME 2012 Heat Transfer Conference. July 8-12, 2012, Puerto Rico.] служил относительный энергетический коэффициент

,

где Nu_гл и ξ_гл - число Нуссельта и коэффициент сопротивления трения для гладкого канала.

При сопоставлении вариантов для канала одного типа (при каждом значении числа Рейнольдса) показателем наиболее высокой эффективности канала и оптимальных размеров ИТ являлось максимальное значение относительного энергетического коэффициента, для которого даны все материалы расчетов.

Некоторые результаты расчетов для всех каналов даны в табл.1 и на фиг.2-4. При детальной оценке можно отметить, что $${\overline{Nu}}_3>{\overline{Nu}}_2>{\overline{Nu}}_1$$ , при этом $${\overline{Nu}}_3$$ превышает $${\overline{Nu}}_2$$ примерно на 28%. Относительная теплоотдача не зависит от числа $$\mathrm{Re}\left(\overline{Nu}\ne f\left(\mathrm{Re}\right)\right)$$ , т.к. характер функций Nu=f(Re") идентичный для гладкого канала и каналов «1;2;3». Модели всех каналов объективно отражают их свойства: при повышенных числах Re и $$\overline{h}=const$$ нарастание сопротивления обгоняет увеличение теплоотдачи $$\overline{\xi }>\overline{Nu}$$ , табл.1.

Размерные коэффициенты ξ для всех каналов автомодельны относительно числа Re-ξ/(Re), - что свойственно дискретной и песчано - зернистой шероховатости Никурадзе в режиме полного проявления шероховатости. Расчеты подтвердили сделанное в настоящей работе предположение - сопротивление канала «1» оказалось несколько меньше $${\overline{\xi }}_3$$ , фиг.3. На всем диапазоне чисел Re сопротивление канала «3» заметно ниже величины $${\overline{\xi }}_2$$ (до 43%), фиг.3, что, вероятно, связано с меньшим количеством РЗ на единицу длины в канале «3». Улучшенная теплоотдача и пониженное сопротивление привели к повышенной эффективности канала «3» по сравнению с др., табл.1, фиг.4.

В равных условиях эффективность канала «3» выше, чем показатель проверенного практикой высокоэффективного канала «2», фиг.4.

Таблица 1
Эффективность и оптимальные размеры каналов
Канал «1» (t/h=100)
Re	10000	250000	500000	750000	1000000
Nu/Nuгл	1,406	1,406	1,406	1,406	1,406
ξ/ξгл	0,948	2,12	2,521	2,79	2,998
	1.483	0,663	0,558	0,504	0,469
Канал «2» (t/h=100)
Re	10000	250000	500000	750000	1000000
Nu/Nuгл	1,414	1,414	1,414	1,414	1,414
ξ/ξгл	2,093	3,465	3,914	4,211	4,44
	0,676	0,408	0,361	0,336	0,319
Канал «3»(l'/l1=0,05)
Re	10000	250000	500000	750000	1000000
Nu/Nuгл	1,953	1,953	1,953	1,953	1,953
ξ/ξгл	1,94	2,642	2,853	2,99	3,094
	1,007	0,739	0,685	0,653	0,631

Теплообменная труба, канал которой выполнен с канавками и выступами, отличающаяся тем, что канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями
l₂=(90-100)h; l₁=(90-100)h; l'/l₁=0,05; h/D=0.03,
где
l₂ - длина канавки, мм,
l₁ - длина выступа, мм,
l' - длина участка выступа между неглубокими канавками, мм,
h - высота выступа, мм,
D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм.