Курсовая. Интенсификация теплообмена

ВВЕДЕНИЕ
Постоянное увеличение необходимой энергетической мощности обусловленной развитием отраслей приводит к увеличению массогабаритных параметров применяемых теплообменников, что, в условиях ограниченного пространства, делает актуальной проблему уменьшения их площади теплообменной поверхности и габаритных размеров или повышения эффективности имеющейся поверхности теплообмена. Данная проблема была рассмотрена в трудах Калинина Э.К., Мигая В.К., Дрейцера Г.А., Антуфьева В.М., Коваленко Л.М., Гортышева Ю.Ф., Олимпиева В.В., Бузника В.М., Лаптева А.Г., Попова И.А. и др.
Другой проблемой является негативное воздействие эксплуатационных факторов в течение длительного времени, таких как отложения на теплообменных поверхностях загрязняющих веществ, накипи, продуктов протекания химических реакций, что может вызывать снижение рабочих параметров аппарата и постепенное или внезапное ухудшение технического состояния вплоть до отказа. Также, наличие отложений приводит к росту требуемой поверхности из-за увеличения термического сопротивления. Оценить степень влияния загрязнений не всегда возможно из-за множества факторов и механизмов, участвующих в процессе.
Одним из решений задачи повышения надежности, безотказности и увеличения ресурса теплообменных аппаратов (ТА) является применение различных способов интенсификации теплообмена, которые оказывают положительное влияние на снижение отложений на теплообменной поверхности. Помимо этого, такое воздействие приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи и, соответственно, к снижению необходимой площади поверхности теплообменника.
На данный момент известно достаточное количество способов интенсификации теплообмена позволяющих увеличить коэффициент теплоотдачи, за счет дополнительного возмущения потока, от нескольких процентов до нескольких раз и даже десятков раз. При этом, как правило, происходит увеличение гидравлического сопротивления в теплообменном аппарате в зависимости от выбранного способа. Наиболее распространенным видом турбулизации потока являются пассивные методы, которые не требуют подвода дополнительной энергии для их работы в отличие от активных методов – вибрации, вращения теплообменной поверхности, акустических, электростатических полей и др. Существует множество способов эффективной пассивной интенсификации однофазных течений – закрутка потока, искусственная шероховатость, перемешивание потока.

1.1 Методы интенсификации теплообмена в ТА

В настоящий момент существуют различные методы интенсификации теплообмена (таблица 1.4). Они различаются степенью интенсификации и увеличением гидравлического сопротивления в аппарате. Все методы интенсификации теплообмена можно разделить на активные и пассивные.

Таблица 1.4 – Методы интенсификации теплообмена

Метод интенсификации Nuинт/Nuo ;инт/;о
Re 5;103 ; 2;104
Винтовая ленточная вставка 1,8 ; 2,7 4 ; 4,5
Кольцевые диафрагмы 2,0 ; 2,4 3,5 ; 4
Шнековая вставка 1,0 ; 1,7 2,5 ; 5,2
Сферические выступы и выемки на стенках канала 1,2 ; 1,3 1,3; 1,7
Каналы с пружинными вставками 1,7 ; 2 3 ; 7
Конфузор-диффузор 1,5 1,5
Витые трубы 1,2 ; 1,4 1,3 ; 1,7
Акустическое поле 1,5 ; 2 -
Электромагнитное поле 2 ; 2,5 -

активные методы интенсификации: механическое воздействие на поверхность теплообмена (вращение или вибрация поверхности, перемешивание жидкости и т. п.); воздействие на поток электрическим магнитным или акустическим полем, пульсациями давления; вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность и др.
пассивные методы, в основе которых - воздействие на поток формой поверхности теплообмена: применение вставных интенсификаторов (винтовых, локальных и пластинчатых закручивателей потока), различное оребрение поверхности теплообмена и др.
Рассматриваемые в данной монографии методы интенсификации конвективного теплообмена относятся ко второй категории, и их, в свою очередь, можно условно разделить на следующие основные группы:
придание потоку жидкости вращательно-поступательного движения;
разрушение пристенных слоев жидкости.
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 и физических свойств сред [95, 104, 132, 135, 208, 287, 382, 390].
Для некоторых способов интенсификации при помощи ленточных завихрителей выполнены интересные обобщения опытных данных в [231, 351]. Основные результаты этих работ представлены в табл. 1.7. Аналогичное сравнение энергетической эффективности различных видов шероховатых труб, выполненное В.К. Мигаем [219] для сред с числом Pr < 1, дано в табл. 1.7. В обеих таблицах используются общепринятые обозначения. Подробные ссылки на литературные источники для табл. 1.8 приведены в [219]. Как видно из табл. 1.7 и 1.8, 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 [46], является не менее привлекательной для конструкторов и проектировщиков.
Методам оценки эффективности способов интенсификации конвективного теплообмена посвящено достаточно большое количество работ. Но, к сожалению, к настоящему времени не выработана единая методика выбора наиболее эффективного способа интенсификации теплообмена.
Сравнительная эффективность методов
Для сопоставления тепловой эффективности различных по конструкции интенсификаторов на основании экспериментов, проведенных разными авторами при различных средних температурах потока среды и в разных диапазонах чисел Рейнольдса и Прандтля, возможно использование соотношения:

(Nu/Nu0) = f(Re), (1.1)

где индекс «0» означает гладкую поверхность теплообмена.
Зависимость (1.1) характеризует увеличение коэффициента теплоотдачи в трубе с интенсификатором по сравнению с коэффициентом теплоотдачи в гладкой трубе.
На рис. 1.1 представлены результаты обработки опытных данных различных авторов [95, 116, 135, 214, 247] в виде зависимости Nu/Nu0 от числа Re, при этом значения чисел Нуссельта были приведены к числам Рейнольдса, соответствующим гладкой трубе. Такая сравнительная оценка опытных данных разных авторов позволяет сделать вывод, что с точки зрения тепловых эффектов наиболее перспективны методы интенсификации конвективного теплообмена  в вязких средах, воздействующие на пристенную область применения интенсификаторов теплообмена по числу Рейнольдса. Как видно из рис. 1.1, наибольшие эффекты увеличения теплоотдачи возникают в диапазоне чисел Re до 3000, т.е. в ламинарной области течения и в области слаборазвитой турбулентности.
 
Рис. 1.1. Сопоставление опытных данных по теплоотдаче в трубах с интенсификаторами теплообмена: 1, 1; – шнековый завихритель, ; = 45 и 75о [135]; 2, 2; – поперечная накатка, d/D = 0,983 и 0,875 [382]; 3, 3; – спиральная накатка, S/D = 3,25 и 1 [214]; 4, 4; – проволочный спиральный завихритель, S/D = 2,17 и 0,724 [247]; 5, 5; – ленточный завихритель, S/D = 19 и 3,16 [95].
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 [229, 230].
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) / (; / ;0) = 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 [217], приведено на рис. 1.2. Здесь И = (Nu / Nu0) / (;/;0). 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.
Сравнительная оценка теплоотдачи для различных типов интенсификаторов выполнена в [36] и представлена на рис. 1.3. Здесь К* - соответствующие каждому эксперименту критериальные уравнения для расчета чисел Nu (более подробно см. [36]). 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 в 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; 5м– 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. [76, 116, 361, 370, 381, 386, 408, 412] 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.
В целом, сравнение различными авторами работ по интенсификации трубного пространства говорит о высокой эффективности применения скрученных лент на ряду с другими методами при ламинарном и переходном режимах.
Прежде всего, следует отметить, что наличие закрученного потока в канале с завихрителем (рисунок1.4), помимо поступательного движения, указывает на две другие особенности течения:
- вихревое движение;
- циркуляционное движение.
Таким образом, вращательно – поступательное движение потока характеризуется местной (локальной) завихренностью и общей поперечной циркуляцией, вызванной тангенциальной компонентой скорости.

Рисунок 1.4 – Схема распределения потока со скрученной лентой Увеличение степени закрученности потока в канале со вставкой вызвано
увеличением количества оборотов ленты относительно своей оси, которое характеризуется отношением L/d или s/d, где L и s – длина ленты необходимая для одного оборота вокруг своей на 360° и 180° градусов соответственно, d – ширина ленты.
Угол закрутки ленты можно вычислить по формуле:
;;; = ;;,         (1.8)
        ;
г де L – длина ленты необходимая для одного оборота вокруг своей на 360°.
При движении жидкости в канале со скрученной лентой в результате градиента давления происходят перетекания потока от периферии к центру.
 

Причем, при отсутствии зазора между лентой и трубой градиент давления увеличивается – при отсутствии зазора статическое давление в центре ленты равно нулю и возрастает к периферии, в то время как при наличии зазора этот дисбаланс снижается. Таким образом, происходит циркуляционное движение из пограничного слоя в ядро потока, тем самым образуя четыре вихревых области (рисунок 1.5). Благодаря наличию вихревого движения и центробежных сил уменьшается толщина пограничного пристенного слоя и увеличивается турбулентность потока при меньших числах Re.








Рисунок 1.5 – Схема образования вторичных течений в трубе со скрученной лентой
Наличие центробежных сил при закрутке потока лентой, которая делит поток на два канала, способствует возникновению вторичных течений. Образовавшееся поле массовых сил в каждом из каналов способствует возникновению вторичных течений первого рода – циркуляции в форме парного вихря. Вторичные течения второго рода образуются при движении потока омывающего вогнутую стенку трубы.
Известно, что при ламинарном течении потока термическое сопротивление распределено относительно равномерно по поперечному сечению канала в отличие от турбулентного режима, где основное сопротивление сосредоточено в пристенной области. Применение скрученной ленты оказывает эффект на все поперечное сечение трубы, что оказывает благоприятное воздействие при невысоких числах Re. При переходе режима в турбулентное течение загромождение лентой ядра потока вызывает резкое возрастание гидравлического сопротивления, что снижает общую эффективность вставки.
Увеличение осевой составляющей скорости, смоченного периметра и эффективной длины канала за счет  применения скрученной ленты.
Обеспечение интенсификации теплообмена в трубе со скрученной лентой достигается за счет вышеописанных механизмов генерации вихревых структур, создающие благоприятные условия для более эффективного перемешивания.
Течение потока в канале со скрученной лентой можно разбить на несколько частей по длине. На первом участке, длина которого зависит от геометрических характеристик турбулизатора, происходит перестройка потока и его длина для различных завихрителей в среднем составляет ; = (0,5 ; 4);. Начальный участок трубы с равномерно скрученной лентой сокращается с уменьшением s/d и для s/d ; 6 составляет порядка ; = (10 ; 15);.
Скрученная лента может выступать в качестве оребрения трубы при отсутствии зазоров и хорошем контакте с трубой, дополнительно увеличивая поверхность теплообмена и эффективность интенсификации до 30%.
Установлено, что можно выделить следующие режимы течения потока со скрученной лентой: ламинарный, ламинарный с макровихрями и турбулентный с макровихрями.
Интересный эффект снижения эффективности при охлаждении жидкости со скрученной лентой. При значительном удельном весе потока и коэффициенте его объемного расширения может произойти изоляция более нагретых масс потока от стенки под действием центробежных сил. При этом у стенок будет находиться более плотный слой охлажденной жидкости. Так, например, коэффициент теплоотдачи при нагреве воды в полтора раза больше, чем для процесса ее охлаждения.
Аналогичный эффект достигается при использовании скрученной ленты в двухфазном потоке, когда пар отбрасывается с поверхности трубы в центр, а жидкость – к теплообменной поверхности.
Наибольший эффект достигается при применении лент для вязких и аномально вязких сред при Re = 3000-6500 с увеличением коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза.
Таким образом, несмотря на то, что применение ленточного интенсификатора хорошо известно, исследования его различных конструкций для получения более эффективных турбулизаторов активно ведутся до настоящего времени. Получение такого повышенного эффекта, по мнению авторов работ, приведенных в данной главе, возможно за счет дополнительного увеличения скорости и повышения турбулентности потока. Достигается этот результат при помощи изменения конструкции лент в пристенной области трубного пространства – применения надрезов с различной глубиной и шагом, деформирование ленты по периметру.
Следовательно, можно сделать вывод, что интенсификация теплообмена при использовании скрученной ленты происходит за счет:
- увеличения скорости в пограничном слое и уменьшение его толщины;
- повышения турбулентности потока и появление вихрей и вторичных течений.
В целом, правильный выбор метода интенсификации в зависимости от режима способен значительно уменьшить металлоемкость аппарата, повысить его компактность и теплопроизводительность.
 
Рисунок 1.6. Схема экспериментальной установки.

 
1.2 Результаты исследований по интенсификации теплообмена

Таблица 1.7 – Результаты исследований по интенсификации теплообмена в трубах

Способ интенсификации теплообмена Относи- тельная
длина канала Диапа- зон чисел
Re Среда Результирующее уравнение Ис-
точ-
ник
Проволочный спиральный завихритель
(0,35<D/S< 1,76) 35,3 D 1,7•103-
2•104 Вода Nu ; 0,3Re0,6 Pr0,43 ;d / D;0,135 [132]
Ленточный завихритель
(0,13<D/S< 1,31) 35,3 D 1,7•103-
2•104 - // - Nu ; 1,84Re0,44 Pr0,43 ;D / S ;0,33 [132]
Ленточный завихритель (0<D/S<0,25) 56,7 D 104-4•104 - // - Nu ; 0, 21Re0,8 Pr;0,43 ;Pr / Pr ;0,25 К;
ст ж
Кт ; 1;1,13*10;5 ;D / S Re1,2 ; [104]
Проволочный спиральный
завихритель (d = 0,052; 0,63; 0,072) 68 D 3•103-
3•105 - // - Nu ; 0,175Re0,7 Pr0,43 ;d / D;-0,35 [390]
Ленточный завихритель (2,5<D/S<11) 20 D 160-5000 Воздух Nu ; 0,3Re0,6 Pr0,43 ;d / D;0,125
(обработка В.К. Щукина) [382]
 
Продолжение таблицы 1.7
Ленточный завихритель
(3,16<D/S<9,5) 19 D 120-5500 - // - Nu ; 0,3Re0,6 Pr0,43 ;d / D;0,135
(обработка В.К. Щукина) [95]
Ленточный завихритель (1,81<D/S<11) 20 D 6•103-
1•105 Воздух, вода [287]
Шнековый завихритель (; = 45-750,
S = 27,6-102) 60 D 103-6•104 Вода Nu ; 0,021Re0,8 Pr0,43 ;Pr / Pr ;0,25 ;
ст ж
;;1 ; 0, 092;*1,73 ;; ;* ; ; /15 [135]
Ленточный завихритель (0<D/S<8,24) _ 5•103-105 Воздух [208]
 
Таблица 1.8 – Энергетическое сравнение шероховатых труб (Pr = 0,72)


Автор Q/Q0 Re Профиль выступа Nu - Rem
при m ; - Ren
при n Вид канала
В.М. Бузник 1,4 10 4
0,7 - Круглая труба,
D = 25 мм
В. Нуннер 1,5
1,43 10 4
10 5

  0 Круглая труба,
D = 50 мм
Р. Кох 1,3
1,17 10 4
 
В.М. Анту- фьев 1,22
1,37 10 4
10 5
0,92 Круглая труба
Э.К. 1,42 10 4
10 5

10 4
10 5
0,8 0,25 Круглая труба,
Калинин
и др. 1,36 D = 10 мм
1,5 0,2
1,36
 
Продолжение таблицы 1.8

В.К. Мигай 1,51
1,46 10 4
10 5 h/R = 0,12
h 0,87 Круглая труба,
D = 20 мм (при сравнении данные
пересчитаны на
D = 10 мм)
Б.М.
Теверовский 1,42
1,50 10 4
10 5 h/R = 0/781
h 1 0 Круглая труба
Р.Л. Вебб и др. 1,36
1,17 10 4 h/R = 0/04 0
В.К. Мигай 1,5
1,18 10 4
10 5 h/R = 0,04 0,8 Круглая труба,
D = 20 мм
В.К. Мигай, П.Г.
Быстров 1,67 10 4 Полукольцевой
 
Таблица 1.9 – Сводная таблица характеристик эффективности скрученных лент различных авторов
Скрученная лента Среда Re
; 10;3 s/d Nпуст NТТ Nu/Nu0
Уменьшение ширины Воздух 6-13,5 3; 4; 5 1,08 -
1,39 - -
C ребрами из проволоки
Воздух,
вода 0,1-90 2,5-6 - - 1,4-1,6
С винглетами Вода 3-27 3; 4; 5 - 1,05-
1,13 -
Двойная Вода 3,7-21 3-4 1,01 -
1,39 - -
С изменением угла
скрутки Вода 3-12 - - - до 2,9
С небольшими надрезами по периферии

Вода
1-20
3 1,29 -
4,88
-
2,6-12,8
С U-образными
вырезами Вода 2-12 2; 4,4;
6 1,06 -
1,22 - -
Со стержнями Вода 12-23 3,33 -
5,71 - - до 1,39
С глубокими надрезами
по периферии Воздух 1-40 1-2,5 0,8-3,6 0,99 -
1,8 6,3-9,5