K. Baisylbayeva
1.2. Сравнительная эффективность методов
128
№5 2019 Вестник КазНИТУ
Первый способ заключается в создании закрученного движения потока с помощью ленточных, шнековых и пластинчатых завихрителей. Такие завихрители воздействуют на весь поток. Второй способ состоит в воздействии на пристенную область течения за счет искусственной шероховатости в виде различного типа накаток на внутренней стенке труб, проволочных спиралей и т.п.Исследователями накоплен обширный экспериментальный материал по теплообмену в трубах с различными типами завихрителей, охватывающий высокий диапазон изменения нагрузок физических свойств сред [4,6,9,11,12].
Для некоторых способов интенсификации при помощи ленточных завихрителей выполнены интересные обобщения опытных данных в [7,11]. Основные результаты этих работ представлены в табл. 1.1. Аналогичное сравнение энергетической эффективности различных видов шероховатых труб, выполненное В.К. Мигаем [7] для сред с числом Pr < 1, дано в табл. 1.2. В обеих таблицах используются общепринятые обозначения. Подробные ссылки на литературные источники для табл. 1.2 приведены в [219]. Как видно из табл. 1.1 и 1.2, методы интенсификации, основанные на применении шероховатых каналов, весьма эффективны.
Что касается процессов теплообмена, связанных с испарительным охлаждением, необходимо указать и третью категорию способов его интенсификации, основанную на традиционном стремлении разработчиков к максимальному увеличению поверхности теплообмена. Эта категория способов ориентирована на принудительное обновление поверхности контакта теплоносителей и, как показывают данные многочисленных исследований [9], является не менее привлекательной для конструкторов и проектировщиков.
Методам оценки эффективности способов интенсификации конвективного теплообмена посвящено достаточно большое количество работ [4,6,8]. Но, к сожалению, к настоящему времени не выработана единая методика выбора наиболее эффективного способа интенсификации теплообмена для более или менее общего случая, наиболее общей и предпочтительной представляется методика, изложенная в работах [1,2,6,8].
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №5 2019 129
Рис. 1.1. Сопоставление опытных данных по теплоотдаче в трубах с интенсификаторами теплообмена:
1, 1′ – шнековый завихритель, φ = 45 и 75о [7]; 2, 2′ – поперечная накатка, d/D = 0,983 и 0,875 [15];
3, 3′ – спиральная накатка, S/D = 3,25 и 1 [7]; 4, 4′ – проволочный спиральный завихритель, S/D = 2,17 и 0,724 [11]; 5, 5′ – ленточный завихритель, S/D = 19 и 3,16 [6].
Для методов, основанных на применении искусственной периодической шероховатости, это связано с возникновением и развитием вихрей за элементом выступа. С постепенным развитием турбулентности значение Nu/Nu0 несколько снижается, оставаясь, тем не менее, значительно выше единицы. При числах Re>8000 превалирующее влияние на теплообмен начинает оказывать турбулентность, в то время как роль вихрей постепенно снижается.
Что касается интенсификаторов (ленточных, шнековых и т.п.), то их применение, на основании имеющихся опытных данных, будет более перспективным для сред с большей вязкостью [7,9].
Использование любого из известных методов сопровождается также ростом гидродинамического сопротивления. Поэтому для сопоставления полной теплогидродинамической эффективности различных по конструкции интенсификаторов часто целесообразно применение известного соотношения:
(Nu / Nu0) / (ξ / ξ0) = f (Re), (1.2) характеризующего относительное увеличение интенсивности теплообмена в трубе с интенсификатором на единицу дополнительно затраченной энергии.
Сравнение эффективности различных методов интенсификации теплообмена, также выполненное В.К. Мигаем в [8], приведено на рис. 1.2. Здесь И = (Nu / Nu0) / (ξ/ξ0). Автор указывает, что при малых значениях чисел Рейнольдса трубы с кольцевыми выступами обладают наилучшими показателями.
Рис. 1.2. Сравнительная эффективность различных методов интенсификации теплообмена: 1–7 – трубы соответственно: с кольцевыми выступами, типа конфузор – диффузор, со спиральными вставками, спирально-профилированные, с волнистой осью, с перфорированными вставками, с обтекаемыми выступами.
130
№5 2019 Вестник КазНИТУ
Сравнительная оценка теплоотдачи для различных типов интенсификаторов выполнена в [12] и представлена на рис. 1.3. Здесь К* - соответствующие каждому эксперименту критериальные уравнения для расчета чисел Nu (более подробно см. [12]). Как видно из рис. 1.3, эффективным способом интенсификации, по мнению авторов, является применение многозаходных спиральных канавок на внутренней поверхности труб, созданных методом электрохимической обработки. Следует отметить, что разработанные последующих главах математические модели и методы расчета позволяют теоретически исследовать и такие способы интенсификации.Рис. 1.3. Теплоотдача в трубах с различными типами интенсификаторов: 1 – спиральные канавки;
2 – ленточный завихритель; 3 – винтовой змеевик; 4 – лопаточный завихритель; 5– гладкая труба.
Приведенный выше краткий сравнительный анализ известных работ показал целесообразность применения практически всех пассивных методов интенсификации теплообмена для ламинарного режима течения. Очевидна весьма высокая эффективность дискретной шероховатости в данных условиях при ее несомненной технологичности.
Детальной проработке физических, теоретических и практических аспектов данного метода интенсификации теплообмена посвящено большое число работ таких видных ученых, как Г.А.
Дрейцер, В.К. Мигай и другие, но в основном для турбулентного и переходного режимов течения. Г.А.
Дрейцером и др. [3,5,7,9] также изучен вопрос об эффектах солеотложения на шероховатых поверхностях теплообмена, где показано преимущество этих поверхностей и в этом плане перед гладкими трубами и каналами.
Разумеется, выбор метода интенсификации теплообмена в каждом случае индивидуален и определяется назначением аппарата, его конструкцией, свойствами рабочего тела и тому подобными факторами.
Заключение
Проанализированы современные методы интенсификаци конвективной части котлов.
Рассмотрены современные способы интенсификации теплообмена в котлах малой и большой мощности. На основе собственных исследований и анализа работ авторов были выявлены и сопоставлены между собой эффективность использования оребрения и гладкотрубных поверхностей.
По собрранным данным выявлен явный недостаток и все плюсы использования тех или иных методов интенсификации. На примере разобраны наилучшие методы интенсификации при турбулентном и ламинарном потоке в конвективной части котла.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Абдульманов С.Х., Овчинников А.А., Николаев Н.А.Закономерности движения капель в вихревых прямоточных аппаратах с тангенциальными завихрителями // Изв. вузов. Химия и хим. технология. – 1978. – № 11. – С. 1689.
[2] Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. – М.: Энергия, 1966.
[3] Войнов Н.А., Николаев Н.А. Тепломассообменные аппараты со стекающей пленкой: учеб. пособие. – Казань: КГТУ, 1997.
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №5 2019 131
[4] Вопросы механики вращающихся потоков и интенсификация теплообмена в ЯЭУ. – М.:
Энергоатомиздат,1984. – 163 с.
[5] Воронин Г.И., Дубровский Е.В. Эффективные теплообменники. – М.: Машиностроение, 1973. – 95 с.
[6] Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных пленках. – Киев: Техника, 1972.
[7] Галустов B.C., Чуфаровский А.И. Повышение эффективности систем охлаждения оборотной воды: инф.
бюлл. по водному хозяйству. – М.: СЭВ, 1984. – №1. – С. 27-31.
[8] Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках / В.И. Субботин, М.Х. Ибрагимов, П.А. Ушаков [и др.] – М.: Энергоатомиздат, 1984.
[9] Дубровский Е.В. Метод относительного сравнения теплогидродинамической эффективности теплообменных поверхностей // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. – 1977.
– №6. – С. 118-127.
[10] Modelling and experimental study on wood chips boiler system with fuel drying and with different heat exchangers. Doctoral Dissertation [Електронний ресурс] / J. Yrjola // Helsinki University of Technology. Department of Mechanical Engineering. Laboratory of Applied Thermodynamics. Режим доступу до дисертації http://lib.tkk.fi/Diss/2006/isbn9512284391/isbn9512284391.pdf.
[11] Neshumayev D., Tiikma T. Radiation heat transfer of turbulator inserts in gas heated channels / D. Neshumayev, T. Tiikma // Heat Transfer Research. – 2008. – vol. 39(5). – P. 403 – 412.
[12] Исаченко В. П. Теплопередача / Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. – Энергоиздат, 1981. – 412 с.
Тореқұл Б., Әділұлы А., Бахтияр Б.Т, Умышев Д., Отыншиева М.
Қазандардың конвективті бөлігіндегі жылу алмасуды интенсификациялау әдістері
Түйіндеме. Жылу алмасуды интенсивтендірудің негізгі тәсілдерін қарастыру және қазандықтың конвективті бөлігіндегі жылу алмасу қарқындылығын зерттеу
Түйінді сөздер: жылу беру интенсификациясы, құбыр, жылу беру коэффициенті.
УДК 681.5; 338.2; 004.9