Письменный Е.Н. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5.2

181

Рис. 5.16. Сравнение точности методик расчета аэродинамического сопротив-

ления шахматных пакетов ребристых труб: а – нормативная зависимость [90];

б – зависимость ВТИ [76]; в – зависимости (5.29) – (5.31); 1 – Re

= 5000;

2 – Re

= 5000

ГЛАВА 5

182

нет результатов сопоставления с методикой [2], т.к. структура пред-

ложенной в ней формулы (1.10) для расчета чисел Эйлера не позво-

ляет использовать ее применительно к трубам с высокими ребрами

(при значениях h/d , близких к единице, формула дает слишком за-

вышенные, а при h/d > 1 - отрицательные значения чисел Εu), вслед-

ствие чего сравнение с другими расчетными системами теряет

смысл. Результаты сопоставления с методиками [95, 97], получен-

ными в узких интервалах геометрических характеристик и дающими

невысокую точность расчета, в итоговые таблицы также не включе-

ны.

ГЛАВА 6

183

6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНО-

ОРЕБРЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

6.1. Состояние проблемы

Проблема совершенствования теплообменных поверхностей,

выполненных в виде пакетов поперечно-оребренных труб является

весьма актуальной. Изучение работ, посвященных этой проблеме, а

также ряда патентов, включая патенты США, Великобритании, ФРГ

и Японии, показало, что пути повышения теплоаэродинамической

эффективности поперечно-оребренных поверхностей в основном

связаны с поиском наиболее рациональных видов оребрения и ком-

поновки пакетов ребристых труб, хотя встречаются и другие, нетра-

диционные методы интенсификации теплообмена, например, впрыск

воды в поток газов перед охлаждаемым пакетом [129] и другие [130,

131].

Большое количество разработок интенсифицированных по-

верхностей связано с созданием условий для разрушения на относи-

тельно высоких ребрах утолщенных пограничных слоев и организа-

цией по возможности по всей поверхности развитого вихревого

течения. Такие условия достигаются за счет гофрировки поперечных

ребер [132], их перфорирования [127, 133, 170], разрезки на короткие

участки с отогнутыми в противоположные стороны концами [22, 64,

134-136], а также при использовании так называемого сегментного

оребрения [95, 170].

Анализ этих разработок и связанных с ними исследований по-

зволяет отметить следующее. Применение гофрировки ребер приво-

дит к заметному росту теплоотдачи, но интенсификация теплообме-

на сопровождается при этом еще более заметным ростом

аэродинамического сопротивления: по данным [132] замена на оди-

ночном оребренном цилиндре гладких ребер гофрированными при-

водит при Re = 10

к росту интенсивности теплообмена на 12...15%

при увеличении сопротивления на 65...70%. Это обстоятельство в

сочетании с низкой технологичностью труб с гофрированными реб-

рами делает проблематичным их широкое распространение.

В литературе довольно широко освещены результаты исследо-

ваний теплоаэродинамических характеристик пакетов труб с разрез-

ными ребрами [22, 53, 64, 134, 135]. Такие теплообменные поверхно-

сти делают из труб с обычным винтовым оребрением разрезкой ребер

на короткие участки тонкой фрезой вдоль образующей несущего ци-

линдра или по винтовой линии под углом 45° к ней (рис. 6.1). Разрезка

практически не приводит к уменьшению поверхности ребра и позво-

ляет увеличить интенсивность теплоотдачи по данным указанных

pa6oт на 12...36% в зависимости от параметров оребрения и способа

разрезки ребер. Создаваемый при этом эффект турбулизации потока

Раздел 6.5

184

тем ощутимей, чем более высокими являются разрезаемые ребра. Од-

нако во всех случаях рост аэродинамического сопротивления заметно

опережает рост теплоотдачи, что в целом заметно снижает суммарный

эффект интенсификации теплообмена. Кроме того, производство труб

с разрезными ребрами требует дополнительных технологических опе-

раций, производственных площадей и затрат, что в сочетании с высо-

кой загрязняемостью теплообменных поверхностей из таких труб и

сложностью их очистки существенно ограничило их применение.

Рис. 6.1. Трубы с разрезным оребрением [22, 64, 135]:

а – подпольно разрезанные ребра; б – ребра, разрезанные по винтовой линии

Более технологичным при близких показателях теплоаэроди-

намической эффективности является решение, связанное с нанесени-

ем на кромки накатанных ребер турбулизирующих поток насечек

(рис. 6.2) [137-139], благодаря чему оно получило применение при

производстве теплообменных поверхностей из алюминиевых труб

для некоторых аппаратов воздушного охлаждения. Однако это ре-

шение, помимо ограниченности области применения по температур-

ным условиям, coxpaнило существенные эксплуатационные недос-

татки разрезных ребер с отогнутыми кромками - повышенную

загрязняемость и сложность очисти межреберных промежутков, усу-

губляющуюся значительным их загромождением деформированны-

ми кромками ребер [139].

Рис. 6.2. Трубы с насечками на кромках ребер [137-139]:

а – насечки на каждом ребре; б – насеченные через одно ребро

ГЛАВА 6

Достаточно большую известность приобрел вид оребрения, по-

лучивший в литературе название сегментного [95,170] (рис. 6.3)

Трубы с таким оребрением могут производиться на том же высоко-

производительном технологическом оборудовании, что и трубы с

обычным винтовым (спирально-ленточным) оребрением путем при-

варки к трубе токами высокой частоты предварительно просеченной

стальной ленты. Вследствие интереса, проявленного к поверхностям

с сегментным оребрением со стороны энергомашиностроительных

предприятий, и невысокой точности имеющихся расчетных методик

[95] в КПИ были выполнены экспериментальные исследования теп-

лообмена, аэродинамического сопротивления и особенностей омы-

вания таких поверхностей [157-160]. Эксперименты, проводившиеся

с натурными трубами (d = 32…42 мм, h = 11,5…19,5 мм, b

= 4,0 мм,

= 5,8…12,5 мм, t = 5…10 мм, y = 4,6…10,4), собранными в шах-

матные и коридорные пакеты (s

= 0,8…2,5), показали, что замена

обычного винтового оребрения сегментным позволяет сократить при

прочих равных условиях количество труб в пакете на 18…20%, не-

смотря на потерю части теплообменной поверхности из-за наличия

клиновидных вырезов на ребрах.

Рис. 6.3. Сегментные ребра [95, 170]

Анализ также показал [158], что путем варьирования глубины

просечки h

при фиксированных высоте h и толщине d ребра можно

добиться компенсации потери площади боковой поверхности ребра

за счет развития поверхности его зигзагообразной кромки. Формулы

для расчета среднеповерхностного теплообмена и аэродинамическо-

го сопротивления пакетов труб с сегментным оребрением в основ-

ном сохраняют структуру соответствующих формул для труб с

обычным винтовым оребрением.

Очевидно, что теплообмен в пакетах труб с сегментным ореб-

рением интенсифицируется вследствие малой толщины погранично-

го слоя на узких лепестках и турбулизации потока при его срыве с

развитой острой кромки ребра, а также потому, что каждый отдель-

ный элемент (лепесток) сегментного ребра по сути представляет со-

бой прямое прямоугольное ребро, коэффициент эффективности ко-

торого, как известно, выше, чем у шайбового. Сопоставление картин

течения на обычном шайбовом и сегментном ребрах (рис. 6.4, 6.5)

[160] показало, что при сохранении основных особенностей схемы

____________________

Такой вид оребрения называют также разрезным или просечным.

Раздел 6.5

186

течения, характерной для обычного шайбового ребра (глава 2), на

сегментном ребре вследствие отмеченной выше дополнительной

турбулизации потока точки его отрыва от поверхности несущего

цилиндра смещаются ниже по течению до угловой координаты w »

120°, так как такой поток способен дальше продвигаться в кормо-

вой области против положительного градиента давления. В резуль-

тате размеры кормовой вихревой зоны, характеризующейся на

большей своей части слабым рециркуляционным течением, значи-

тельно сокращаются, она приобретает сужающиеся вниз по тече-

нию очертания, длина вихревых жгутов на ее боковых границах в

пределах ребра возрастает, что в итоге приводит к увеличению

среднеповерхностной теплоотдачи. Исследования, проведенные в

КПИ также показали, что повышение теплоаэродинамической эф-

фективности пакетов труб с сегментным оребрением возможно пу-

тем поворота лепестков вокруг их продольной оси [157].

Среди разработок имеется также поперечное оребрение с пер-

форацией [127], а также такая экзотическая его разновидность, как

K-U - оребрение (рис. 6.6) [133]. Стальные трубы с перфори-

ванными ребрами, изготовление которых основывается на высоко-

производительной технологии контактной сварки, как показали ис-

следования [127], имеют теплоаэродинамические характеристики,

практически не отличающиеся от характеристик труб с обычным

шайбовым оребрением. K-U- оребрение характеризуется высоким

аэродинамическим сопротивлением, что в совокупности с малой

его прочностью и сложностью обеспечения надежного термическо-

го контакта с несущей трубой, обусловленными специфической

технологией изготовления, очень ограничивают область их приме-

нения.

Различные виды перфораций ребра используются и для ин-

тенсификации теплообмена в пластинчато-ребристых поверхностях

[171, 172]. Разновидностью этого метода интенсификации является

метод, описанный в работе [140]. Суть его заключается в образова-

нии на прямоугольном ребре за несущим цилиндром двух дельта-

видных крылышек, представляющих собой отогнутые части перфо-

рированного ребра (рис. 6.7). Наклоненные навстречу набегающему

потоку крылышки генерируют продольные вихри, усиливающие

обмен в пристеночной области, что применительно к реальным те-

плообменным устройствам, по мнению авторов, может повысить

теплоотдачу на 20% и снизить эксплуатационные затраты на 10%.

Исследованию теплообмена и аэродинамики поперечно-

оребренных систем с различными видами генераторов продольных

вихрей посвящены также работы [173-176].

ГЛАВА 6

187

Рис. 6.4. Визуализация течения на поверхности шайбового ребра ;44,0=

Re = 2,2·10

Рис. 6.5. Визуализация течения на поверхности сегментного ребра

;44,0=

= 0,28; Re = 2,2·10

Раздел 6.5

188

Рис. 6.6. K-Y – оребрение [133]

Рис. 6.7. Метод интенсификации теплообмена путем перфорирования ребра с

образованием D – видных генераторов вихрей [140]

В работах [7, 141] улучшение массогабаритных характеристик

поверхностей, выполненных из круглых труб с винтовым накатан-

ным оребрением связывается с удалением части оребрения, лежащей

в области следа за несущим цилиндром, где интенсивность теплоот-

дачи в целом, как известно, относительно невысока. Для того, чтобы

процесс удаления части оребрения был по возможности более тех-

нологичным, авторами предлагается обрезать ребра по хорде вдоль

плоскости, параллельной миделевому сечению трубы (рис. 6.8). По

данным [7, 141] коэффициенты теплоотдачи, отнесенные к полной

поверхности труб с обрезанным указанным образом на полную вы-

соту h оребрением возрастают по сравнению со случаем обычных

оребренных труб в 1,23 раза при Re = 3×10

и в 1,13 раза при Re =

2,5×10

. Аэродинамическое сопротивление при этом практически не

изменяется. Однако общий теплосъем за счет уменьшения площади

теплоотдающей поверхности уменьшается соответственно на 13% и

23%. Тем не менее авторы утверждают, что таким образом можно

ГЛАВА 6

189

сэкономить при прочих равных условиях до 28% металла, идущего

на изготовление оребрения. В целом, рассмотренный путь совершен-

ствования поперечно-оребренных поверхностей по очевидным при-

чинам нельзя признать рациональным.

Рис.6.8. Трубы с обрезным в кормовой области оребрением [7, 141]

Еще одним направлением улучшения теплоаэродинамических

характеристик трубчатых поперечно-оребренных поверхностей, свя-

занным с изменением их геометрии, является поиск новых видов раз-

мещения ребристых труб в пакетах. Основные идеи, лежащие в осно-

ве таких разработок, большей частью позаимствованы из работ [142-

144], проводившихся с пакетами гладких труб. К ним относятся:

- применение так называемого перекрестного или решетчатого

расположения труб;

- использование промежуточных между чисто коридорной и

чисто шахматной компоновок, которые можно получить изменением

угла между осями продольных рядов труб пакетов обычных коридор-

ных компоновок и вектором скорости набегающего потока (рис. 6.9);

- использование зигзагообразных компоновок, образованных

чередующимся продольным смещением труб в поперечных рядах

шахматных пакетов (рис. 6.10);

- применение пакетов с неодинаковым числом труб в попереч-

ных рядах (рис. 6.11).

Значительный объем исследований в этих направлениях выпол-

нен в работах [7, 141, 145-148].

Рис. 6.9. Смешанные коридорно-шахматные компоновки [146, 147]

Характеризуя результаты исследований теплоаэродинамиче-

ских характеристик крестообразных пакетов, необходимо отметить,

что по данным [7] применение таких компоновок не приводит к ин-

тенсификации теплообмена по сравнению с обычным расположени-

ем ребристых труб, хотя наблюдается некоторое снижение сопро-

тивления. Учитывая сложности, возникающие при изготовлении

Раздел 6.5

190

крестообразных пакетов, связанные прежде всего с неудобством

подвода и отвода внутреннего теплоносителя, их использование, по

всей видимости, следует считать нецелесообразным.

Рис. 6.10. Зигзагообразная компоновка труб в пакете [7]

Исследование характеристик переходных коридорно-

шахматных компоновок [146, 147] показали наличие эффекта интен-

сификации теплоотдачи, достигающего 5% по отношению к данным

для исходного чисто шахматного пакета с плотным расположением

труб, что сопоставимо с погрешностью такого рода экспериментов.

Существенно большего эффекта можно достичь, как показано в гла-

ве 4, при использовании нормальных шахматных компоновок с оп-

тимальными шаговыми соотношениями.

Рис. 6.11. Пакет с различным числом труб в поперечных рядах [7, 148]