Введение
Обобщение опытных и расчетных данных авторов с данными других исследований по эффективности теплообменных аппаратов ТЭС показало, что процесс теплопередачи в конденсаторах, подогревателях сетевой воды и аппаратах системы регенерации паротурбинных установок в большинстве случаев лимитируется теплоотдачей с паровой стороны. Разница в уровнях коэффициента теплоотдачи с паровой и водяной сторон достигает 100% в зависимости от типа аппарата и его места в схеме ТЭС. Повышение эффективности работы энергетического теплообменного оборудования может быть достигнуто прежде всего за счет интенсификации теплообмена с паровой стороны аппаратов.
Интенсификация теплообмена
Одно из направлений интенсификации теплообмена в ТА связано с применением различно профилированных трубок. По мнению специалистов , реальное применение в конденсирующих ТА могут найти трубки, у которых искусственная шероховатость имеет место как с наружной, так и с внутренней стороны. Интенсификация теплообмена с паровой стороны при этом определяется изменением гидродинамики пленки конденсата на профилированной поверхности трубки - уменьшением за счет действия сил поверхностного натяжения средней толщины пленки конденсата, изменением траектории ее движения и турбулизацией. Интенсификация с водяной стороны также определяется гидродинамикой потока - нарушением упорядоченного течения жидкости в вязком подслое за счет его турбулизации и закрутки. Однако необходимо учитывать, что использование таких трубок приводит к увеличению гидравлического сопротивления ТА, а значит, требует проведения исследований для обоснования целесообразности использования профилированных трубок и выбора оптимальных параметров их профилирования применительно к конкретным ТА и условиям эксплуатации ПТУ. Анализ состояния вопроса показал, что для обоснования целесообразности применения различно профилированных трубок в ТА ПТУ необходимо накопление и обобщение данных стендовых исследований и натурных испытаний с целью уточнения методик расчета аппаратов.
Исследование гидродинамики и теплообмена при конденсации пара на различно профилированных трубках проводилось на: профильных витых трубках (ПВТ), продольно-профилированных трубках (ППТ), трубках двойного профиля (ТДП) и встречно-винтовых трубках (ВВТ) .
Опытами установлено, что гидродинамика пленки конденсата на вертикальной ПВТ существенно отличается от гидродинамики пленки на гладкой трубке. На профильной трубке наблюдается процесс стягивания пленки в канавку и закрутки. При уменьшении шага между канавками S угол отклонения траектории движения пленки от вертикального направления увеличивается и происходит стягивание пленки конденсата в канавки за счет сил поверхностного натяжения.
Относительный эффект интенсификации теплоотдачи при конденсации неподвижного пара на вертикальной ПВТ зависит в основном от режима течения пленки конденсата и параметров профилирования трубок. Интенсивность теплообмена при конденсации пара на поперечно обтекаемой вертикальной ПВТ в зависимости от параметров процесса и параметров профилирования до 2,5 раз выше, чем при конденсации неподвижного пара на гладкой трубке.
Известно, что применение вертикальных ППТ позволяет существенно (до 3,5 раз) повысить коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара. Это объясняется действием на пленку конденсата сил поверхностного натяжения на профилированной криволинейной поверхности трубки. На выступах трубки происходит более интенсивная конденсация пара, т.е. теплообмен фактически лимитируется толщиной пленки конденсата, стекающей по канавкам.
Было предложено дополнительно профилировать ППТ винтовой накаткой, аналогичной ПВТ. При этом предполагалось, что эффект интенсификации будет реализовываться как на наружной поверхности трубки (за счет изменения гидродинамики пленки конденсата), так и внутри нее (за счет турбулизации пристенного слоя теплоносителя). Опытами установлено, что ППТ позволяет повысить уровень теплоотдачи при конденсации водяного пара в среднем в два раза по сравнению с гладкой трубкой. Теплоотдача со стороны конденсирующегося пара на ТДП в зависимости от разности температур "пар-стенка" увеличивается в 1,8-2,2 раза по сравнению с ППТ. В данном случае, по-нашему мнению, проявляются два эффекта: винтовая канавка, заполняясь конденсатом из области продольных канавок, частично отводит его по нисходящей спирали; при этом за счет поворотов часть конденсата с поверхности трубки сбрасывается; винтовая выдавка металла продольных выступов, внедряясь в область течения конденсата в продольных канавках, образует в них чередующиеся локальные сужения, что вносит возмущение в "толстую" ламинарную пленку конденсата, стекающую по продольным канавкам. Первый эффект приводит к уменьшению средней толщины пленки конденсата, а второй - к ее дополнительной турбулизации. Сумма этих эффектов и вызывает интенсификацию теплообмена со стороны конденсирующегося пара.
Одной из перспективных поверхностей для теплообменных аппаратов ПТУ является трубка со встречной винтовой накаткой (ВВТ). Исследования теплообмена при конденсации неподвижного пара показали, что коэффициент теплопередачи ВВТ на 20-30% выше, чем близких по параметрам накатки ПВТ.
Результатами сравнительных испытаний более 100 различных конденсирующих ТА с ПВТ установлено, что интенсификация теплообмена в зависимости от параметров профилирования трубок и режима течения в них воды (при оптимально выбранных параметрах ПВТ) составила от 10 до 80%. Гидравлическое сопротивление ТА при этом возрастает примерно на такую же величину.
Известно , что организация режима капельной конденсации пара является самым перспективным направлением интенсификации теплообмена при конденсации пара. Результаты исследований применения нового гидрофобизатора (полифторалкилдисульфид) для трубок из материалов МНЖ5-1 и Л68 показали, что уровень коэффициента теплоотдачи со стороны пара в три- четыре раза превышает теплоотдачу при пленочной конденсации. Опытами установлено, что при попадании в пар воздуха (в момент отключения установки) эффект интенсификации теплообмена резко уменьшается и наблюдается режим смешанной конденсации пара. При возобновлении опыта режим капельной конденсации восстанавливался через 15-20 часов работы установки. После возобновления капельной конденсации уровень теплообмена восстанавливался практически до первоначальной величины. Этот очень важный для практики результат может быть объяснен с учетом современных представлений по динамике биологических систем на основе проведенных спектрометрических исследований гидрофобного покрытия трубок после серии опытов по капельной конденсации. Использованный в опытах стимулятор капельной конденсации имеет в своей структуре как гидрофобный, так и гидрофильный фрагменты. Это увеличивает число степеней свободы конформационного расположения цепи. При резком снижении температуры и отключении подачи в установку пара реализуется более компактная конформация с обнажением гидрофильного фрагмента молекулы. Все это приводит к реализации режима пленочной (смешанной) конденсации в первоначальный момент после повторного включения пара. В дальнейшем водородные связи вызывают самоорганизацию мономолекулярного покрытия с обнажением только гидрофобных участков молекул, что и обеспечивает возобновление режима капельной конденсации. Фактически наблюдается новый тип самоорганизующейся мономолекулярной пленки, которая в зависимости от внешних условий может находиться в различных конформационных состояниях. Коэффициент теплопередачи при капельной конденсации пара на гладкой горизонтальной трубке (МНЖ5-1) в 1,5-2,0 раза выше, чем при пленочной конденсации.
Результаты стендовых испытаний по применению гидрофобизатора на ПВТ (гидрофобизатор наносился на выступы ПВТ) показали, что на вертикальных ПВТ наблюдался отрыв и сброс стекающей пленки конденсата с поверхности трубки в зонах капельной конденсации, что, по-нашему мнению, вызывало уменьшение количества стекающего конденсата по поверхности вертикальной ПВТ и приводило к повышению уровня теплопередачи на 15-25%,
Результаты полупромышленных испытаний опытного модуля (56 горизонтальных трубок, материал - МНЖ5-1), включенного параллельно конденсатору турбины К-300-240 на Рефтинской ГРЭС, проведенных совместно с НПО ЦКТИ, показали, что гидрофобизатор при однократном нанесении на поверхность теплообмена обеспечил поддержание режима капельной конденсации в течение более 4500 часов; при этом коэффициент теплопередачи за счет организации режима капельной конденсации увеличился на 35-70%.
Вибрация трубок теплообменных аппаратов отражается на характере течения пленки конденсата и, следовательно, на теплоотдаче от конденсирующегося пара.
Обобщение экспериментальных данных показало, что в зависимости от удельной паровой нагрузки и параметров вибрации коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вибрирующей горизонтальной трубке может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с коэффициентом теплоотдачи при конденсации пара на неподвижной трубке.
Результаты экспериментального исследования обобщены зависимостями, которые дают возможность рассчитать величину поправки к коэффициенту теплоотдачи с паровой стороны для горизонтальных и вертикальных ТА.
Как показывают расчеты, влияние вибрации трубок горизонтальных сетевых подогревателей на теплоотдачу со стороны конденсирующегося пара при характерном для ПСГ уровне удельных паровых нагрузок выражается в увеличении коэффициента теплоотдачи с паровой стороны на величину от 1,6 до 6,7%.
По результатам проведенных стендовых исследований и промышленных испытаний можно предложить ряд практических рекомендаций по повышению эффективности теплообменных аппаратов ПТУ:
- - Выбор наиболее эффективных параметров профилирования трубок необходимо производить на основе оптимизации параметров профилирования и технико-экономического анализа всей ПТУ.
- - При использовании в ТА продольно-профилированных трубок и трубок двойного профилирования можно принять, что теплопередача при конденсации пара увеличивается на 40-150% в зависимости от плотности теплового потока.
- - При использовании в теплообменных аппаратах профилированных трубок с целью повышения надежности соединения трубок с трубными досками концы трубок должны предусматриваться гладкими в пределах 150-200 мм.
- - Применение нового перспективного гидрофобизатора в конденсирующих ТА ПТУ позволяет увеличивать коэффициент теплоотдачи до 3 раз по сравнению с пленочной конденсацией пара. Однако с течением времени идет некоторое понижение коэффициента теплопередачи.
Считаем, что решение вопроса о целесообразности применения любой разработки по повышению эффективности ТА ПТУ должно производиться на основе комплексного технико-экономического анализа для всей энергоустановки. При этом любой ТА необходимо рассматривать не изолированно, а как органичный элемент ПТУ. Основы такой комплексной технико-экономической методики для конкретных ТА ПТУ и конкретных условий эксплуатации на ТЭС представлены в работах .
(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
Интенсификация радиационного и конвективного теплообмена основного уравнения радиационного теплообмена показывает, что увеличение удельной тепловой нагрузки радиационной поверхности может быть достигнуто в основном повышением адиабатной температуры горения. В меньшей степени на эффективность радиационного теплообмена влияет температура продуктов сгорания на выходе из топки и коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева экранов и ширм. Повышение адиабатной температуры горения данного топлива возможно путем снижения коэффициента избытка воздуха, уменьшения потерь от химического недожога и повышения температуры воздуха, используемого для сжигания топлива.
Оптимальное значение коэффициента избытка воздуха и регламентированного при этом химического недожога в топке данной конструкции приведено в гл. 3. Интенсификация радиационного и конвективного теплообмена и повышение температуры воздуха возможно в пределах, ограниченных технико-экономическими условиями распределения тепловосприятия в элементах котла, надежностью работы воздухоподогревателя и механических топок при слоевом сжигании топлива. Рекомендуемые исходя из этих положений температуры подогрева воздуха приведены в . Температура продуктов сгорания на выходе из топки в значительной мере определяет общие технико-экономические характеристики котла, в том числе надежность и бесперебойность его работы. При сжигании твердого топлива повышение температуры продуктов сгорания на выходе из топки лимитируется условиями шлакования поверхностей нагрева экранов и расположенных за топкой поверхностей нагрева. При сжигании мазута и газа температура продуктов сгорания на выходе из топки определяется рациональным распределением тепловосприятия радиационных и конвективных поверхностей нагрева. Этот вопрос и рекомендуемые температуры продуктов сгорания на выходе из топки при сжигании различных видов топлива и конструкциях топки рассмотрены в гл. 4, 6, 8. Коэффициент тепловой эффективности может быть повышен за счет увеличения углового коэффициента х поверхности нагрева, в частности, путем применения двухсветных экранов и ширм, а также за счет поддержания чистыми поверхностей нагрева при систематической их очистке от загрязнений обдувкой или за счет механического воздействия на трубы.
Интенсификация радиационного и конвективного теплообмена, как видно из выражений для определения коэффициентов теплоотдачи, возможна путем повышения скорости теплоносителя, в первую очередь продуктов сгорания, а также уменьшением диаметра труб d или диаметра эквивалентного канала d K . При этом коэффициент конвективной теплоотдачи возрастает пропорционально скорости газов в степени 0,6-0,8 и обратно пропорционально определяющему размеру d в степени 0,4-0,2 в зависимости от расположения труб по отношению к потоку газов. Соответственно сокращаются необходимые конвективные элементы котла. Однако при повышении скорости газов имеет место увеличение аэродинамического сопротивления поверхности нагрева, пропорциональное квадрату скорости газов, и соответственно повышение расхода электроэнергии на тягу. В связи с этим возникают экономически целесообразные пределы повышения скорости газов, лимитируемые также (При сжигании твердого топлива) условиями износа поверхностей нагрева.
Более широко используется второй путь повышения эффективности конвективной теплопередачи (интенсификация радиационного и конвективного теплообмена) - уменьшение диаметра труб и эквивалентных каналов. При уменьшении диаметра труб аэродинамическое сопротивление трубных пучков при неизменной скорости газов даже несколько уменьшается. Уменьшение диаметра труб, применяемых для конвективных поверхностей нагрева, является одной из характерных тенденций развития конструкций котлов в последние десятилетия.
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 ;
