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

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 6

211

в) Оценка теплоаэродинамической эффективности

Из выполненного выше анализа следует, что путем совершен-

ствования характера течения теплоносителя в пакете можно достичь

заметной интенсификации теплообмена без чрезмерного роста аэро-

динамического сопротивления. В зависимости от параметров под-

гибки ребер, геометрии размещения и числа Рейнольдса для труб

рассматриваемого типоразмера повышение конвективных коэффи-

циентов теплоотдачи колеблется в пределах от 15 до 77% при росте

аэродинамического сопротивления соответственно на 40...117% по

сравнению со случаем использования обычных неподогнутых ребер.

Однозначно оценить эффект от использования того или иного

метода интенсификации наружного теплообмена в пакетах оребрен-

ных труб можно, сравнив приведенные коэффициенты теплоотдачи

обычного и интенсифицированного пакетов при равных аэродина-

мических сопротивлениях Δ Ρ. Выполненные таким образом оценки

показали, что из всех исследованных в настоящей работе пакетов

наилучшие теплоаэродинамические характеристики имеют пакеты с

относительными шагами s

= 3,21, s

= 1,29 и s

= 2,64, s

= 1,29 при

угле конфузорности γ = 20°. На рис. 6.31 представлены отношения

среднеповерхностных приведенных коэффициентов теплоотдачи

пр

интенсифицированных и базовых пакетов, полученные при ус-

ловии ΔΡ = idem. Интервал величин аэродинамических сопротивле-

ний соответствует наиболее характерной для энергетических тепло-

обменных аппаратов области чисел Рейнольдса Re = (8...13)×10

. Из

рисунка следует, что в случае применения конфузорной подгибки

ребер в пакете с s

= 3,21, s

= 1,29 чистый выигрыш по наружному

теплообмену составляет от 38 до 44%, а в пакетах с s

= 2,64,

= 1,29 - не менее 47%.

Рис. 6.31. Соотношения среднеповерхностных приведенных коэффициентов

теплоотдачи интенсифицированных и базовых пакетов при одинаковых аэро-

динамических сопротивлениях: 1 – s

= 3,21; s

= 1,29; 2 – s

= 2,64; s

= 1,29

Раздел 6.5

212

На базе полученных данных была проведена оценка снижения

металлоемкости конвективного испарительного пакета котла-

утилизатора П-86, парогазовой установки с газовой турбиной ДЖ-59 в

случае использования вместо труб d = 42 мм с обычным винтовым

оребрением h = 15 мм, t = 8 мм, d = 1,3 мм таких же по размерам труб

с конфузорно подогнутыми (γ = 20°) ребрами (тепловая мощность па-

кета Q = 8 МВт при расходе продуктов сгорания G = 91 кг/с). В ис-

ходном варианте из соображений ремонтопригодности пакет имел

поперечный шаг труб S

= 160 мм (s

= 3,81) при продольном шаге

= 54 мм. Применение труб с подогнутыми ребрами позволяет

уменьшить поперечный шаг до значения S

= 135 мм (s

= 3,21). При

этом пакет остается "выемным". Площадь поверхности теплообмена

и общее число труб при равных аэродинамических сопротивлениях

исходного и интенсифицированного вариантов пакета Δ Ρ = 1000 Па

уменьшается на 40% (рис. 6.32). В 2 раза - с 32 до 16 снижается чис-

ло поперечных рядов труб в пакете z

, что влечет за собой двоекрат-

ное уменьшение его глубины.

Рис. 6.32. Сравнение конструктивных характеристик испарительных пакетов

Q = 8 МВт, G = 91кг/с, выполненных из труб с обычным винтовым

(а) и конфузорно подогнутым (б) оребрением, при одинаковом

аэродинамическом сопротивлении (rP = 1051 Па)

Таким образом, применение труб с конфузорной подгибкой ре-

бер позволяет существенно снизить металлоемкость и габариты теп-

лообменных аппаратов без повышения эксплуатационных затрат.

ГЛАВА 6

213

Кроме того, предложенный тип интенсифицированных оребренных

поверхностей представляет интерес также в следующих аспектах:

- изготовление труб с конфузорной подгибкой ребер может

быть организовано на основе широко применяющихся в настоящее

время технологий накатки и приварки ребер с добавлением неслож-

ной операции подгибки ребер, т.е. не требует существенного пере-

оборудования производства и больших дополнительных материаль-

ных затрат;

- пакеты из труб с конфузорной подгибкой ребер должны быть

в большей степени подвержены самоочистке в условиях запыленно-

го потока, чем пакеты из труб с обычным оребрением, так как за-

грязнения обычно откладываются в зоне аэродинамической тени за

несущим цилиндром и в лобовой его части.

6.4. Поверхности из профилированных труб с

неполным оребрением

Второй из отмеченных в разделе 6.2 путь повышения теплоаэро-

динамической эффективности поперечно-оребренных теплообменных

поверхностей, связанный с удалением неэффективных участков ребра,

представляется целесообразным в тех случаях, когда в качестве эле-

ментов теплообменников с целью максимального снижения их аэроди-

намического сопротивления используются профилированные (оваль-

ные, плоскоовальные и др.) оребренные трубы (в сухих градирнях,

аппаратах воздушного охлаждения технологических продуктов и т.п.).

В таких случаях нами предложено полностью оребренные профилиро-

ванные трубы (например, плоскоовальные) заменить частично ореб-

ренными, т.е. такими, у которых части цилиндрической поверхности,

имеющие большую кривизну (лобовая и кормовая части) не оребрены

(рис. 6.33). Другими словами, у предлагаемого типа поверхности отсут-

ствует часть оребрения, которая относительно плохо "работает" не

только потому, что, как правило, находится в области аэродинамиче-

ской тени, но и потому, что ее коэффициент эффективности Ε ниже,

чем у участков ребер, расположенных на плоских боковых сторонах

трубы. Кроме того, лобовая и кормовая части оребрения в наибольшей

степени загрязняются. Важно также отметить, что отсутствие необхо-

димости оребрения участков поверхности труб с большей кривизной

позволяет применить при изготовлении предлагаемых типов ребристых

труб наиболее прогрессивные и дешевые технологии (накатку, привар-

ку), обеспечивающие к тому же практически идеальный термический

контакт между ребром и несущей стенкой, в то время как технологии, в

основном использующиеся в настоящее время при производстве пол-

ностью оребренных профилированных труб, такового не обеспечивают,

так как основаны на механической навивке ленточных или насадке

овальных ребер с последующим их закреплением на несущей поверх-

ности путем оцинковывания.

Раздел 6.5

214

Рис. 6.33. Плоско-овальные трубы с неполным оребрением: а – общий вид;

б – геометрические характеристики

Для проверки обоснованности предлагаемого метода совер-

шенствования профилированных поперечно-оребренных поверхно-

стей был изготовлен комплект плоско-овальных труб с неполным

оребрением и выполнены исследования теплоаэродинамических ха-

рактеристик собранных из них пакетов.

6.4.1. Методика исследований. Геометрические характери-

стики ребристых труб и трубных пакетов

Плоскоовальные трубы с оребрением на боковых плоских по-

верхностях изготавливались фрезерованием из алюминиевых цель-

ных заготовок. Такой способ изготовления обеспечил идеальный

термический контакт между ребрами и несущей трубой, что соответ-

ствует ycлoвиям термического контакта при предполагаемых мето-

дах промышленного производства таких труб. Основные геометри-

ческие характеристики исследованных труб (табл. 6.5) выбирались

близкими к соответствующим характеристикам полностью оребрен-

ных труб овального профиля, теплообмен и аэродинамика которых

изучались в работе [152]. Это позволило произвести сравнение их

теплоаэродинамических характеристик и оценить эффект от замены

полностью оребренных труб трубами с неполным оребрением.

При исследовании среднеповерхностного теплообмена тради-

ционно использовался метод полного теплового моделирования на

основе электрического обогрева всех труб пакетов. В процессе про-

ведения экспериментов определялись приведенные коэффициенты

теплоотдачи

пр

. Труба-калориметр, предназначенная для измере-

ния температур поверхности несущего цилиндра и оснований ребер,

оснащалась десятью медь-константановыми термопарами с диамет-

ром проводов 0,1 мм, корольки которых зачеканивались в стенку

равномерно по периметру среднего по высоте трубы сечения.

Асбоцементный сердечник нагревателя имел плоско-овальную

форму поперечного сечения, что обеспечивало равномерный зазор

ГЛАВА 6

215

между нихромовой проволокой и стенкой несущей трубы, а значит и

равномерный ее обогрев. Зазор заполнялся мелкодисперсным по-

рошком аморфного корунда. Конвективные коэффициенты теплоот-

дачи

определялись по приведенным с использованием зависимо-

сти (1.22). При этом значения коэффициента теоретической

эффективности ребра Ε рассчитывались по формуле для прямого

прямоугольного ребра. Для сравнения полученных данных по тепло-

отдаче с соответствующими данными для полностью оребренных

труб из работы [152], где тоже фигурируют приведенные коэффици-

енты теплоотдачи, последние также пересчитывались на конвектив-

ные с помощью зависимости (1.22). Коэффициенты эффективности

овального ребра определялись при этом путем осреднения по по-

верхности значений, вычисленных отдельно для участков с большей

и меньшей кривизной. Сопоставление данных по теплообмену для

труб, различающихся степенью оребрения, имеет смысл только при

условии отнесения конвективных коэффициентов теплоотдачи к по-

верхности несущей трубы, поэтому результаты экспериментов пред-

ставлялись в виде зависимостей Nu

×y = f(Re).

Таблица 6.5

Геометрические характеристики профилированных

ребристых труб

Наименование величины Обозначение

Трубы с

неполным

оребрением

Полностью

оребренные

трубы [152]

Поперечный размер несущей

трубы

Продольный размер несущей

трубы

Высота ребер

Шаг ребер

Толщина ребер

Коэффициент оребрения

Относительное удлинение

профиля

Относительная высота ребра

Относительный шаг ребер

Относительная толщина ребер

, мм

h, мм

t, мм

d, мм

h/d

t/d

d/t

15,0

38,0

11,5

3,5

0,8

5,22

2,53

0,76

0,23

0,05

14,0

36,0

10,0

3,0

0,5

10,2

2,57

0,71

0,21

0,04

При исследовании аэродинамического сопротивления определя-

лись числа Эйлера, отнесенные к одному поперечному ряду пакета.

Опыты проводились с семью шахматными и двумя коридор-

ными пакетами, в которых плоскоовальные трубы ориентировались

большой осью вдоль направления набегающего потока (рис. 6.34, а,

г). В то же время профилированные трубы позволяют разнообразить

варианты их размещения в пакетах за счет варьирования угла атаки

профиля q

(рис. 6.33), а также за счет применения различных соче-

таний взаимного расположения труб, имеющих ненулевой угол

атаки q

. В этом плане рассматривались две основные разновидности

Раздел 6.5

216

коридорных и шахматных компоновок: с последовательным чередо-

ванием знака угла атаки q

по глубине пакета (рис. 6.34, б, д) и без

его чередования (рис. 6.34, в, е). Таким образом, всего было исследо-

вано 15 вариантов компоновки пакетов. Их геометрические характе-

ристики представлены в таблице 6.6.

Рис. 6.34. Схемы размещения профилированных труб в пакетах:

а, б, в – шахматные компоновки; г, д, е, – коридорные компоновки

При обработке экспериментальных данных скорость потока

относилась, как правило, к наиболее узкому сечению пакета. Однако,

при анализе влияния угла атаки q

на теплоаэродинамические харак-

теристики пакетов обработка осуществлялась и по набегающей ско-

рости. В качестве определяющего размера в числах Nu и Re прини-

мался поперечный размер несущей трубы d

Таблица 6.6

Геометрические характеристики пакетов труб

с неполным оребрением

Номер

разме-

щения

Тип

компонов-

ки

мм

Вид разме-

щения труб в

соответствии

с рис. 6.34

Шахматная

“

47,5

63,3

46,0

58,0

75,0

36,0

42,0

46,0

58,0

46,0

3,17

4,22

3,07

3,87

5,00

2,40

2,80

3,07

3,87

3,07

1,03

0,82

0,63

1,76

1,51

1,38

1,09

1,38

Коридорная

“

63,3

46,0

58,0

46,0

4,22

3,07

3,87

3,07

1,38

1,09

1,38

ГЛАВА 6

217

6.4.2. Результаты исследований и их анализ

а) Теплообмен

Результаты исследования теплообмена, представленные на рис.

6.35 свидетельствуют прежде всего о том, что замена полностью

оребренных овальных труб ( ψ = 10,2) частично оребренными ( ψ =

5,22) не приводит к снижению теплового потока от трубного пакета

при прочих равных условиях. Это характерно для всех четырех вари-

антов пакетов (№№ 1,2,4,5, табл. 6.6.), шаговые соотношения которых

позволяли проводить сравнение с данными для пакетов полностью

оребренных труб, полученными в работе [152], что показывает пра-

вильность исходных физических предпосылок. Мало того, из рис. 6.35

видно, что теплоотвод от пакетов частично оребренных труб в рас-

сматриваемых случаях даже несколько выше, чем от пакетов полно-

стью оребренных труб. Взаимное расположение кривых Nu

×ψ = f(Re)

для всех пар сравниваемых пакетов (кривые для труб с ψ =10,2 распо-

лагаются ниже и более полого) позволяет предположить, что причи-

ной более низкой теплоотдачи полностью оребренных труб является

наличие контактного термического сопротивления между насажен-

ными овальными ребрами и стенкой несущей трубы, роль которого,

как следует из работы [141], с увеличением числа Рейнольдса возрас-

тает. Трубы же с неполным оребрением, как отмечалось выше, отли-

чаются идеальным термическим контактом между ребрами и несущей

стенкой. Имеющееся небольшое различие в толщинах ребер труб, для

которых проводились сравнения, не может быть причиной сущест-

венного различия в значениях среднеповерхностных конвективных

коэффициентов теплоотдачи, так как влияние δ на

весьма слабое и

практически не наблюдается даже при значительно более широком

варьировании этого параметра.

Анализ результатов теплообменных экспериментов позволил

проследить зависимость интенсивности теплообмена плоско-

овальных труб с неполным оребрением от типа компоновки и пара-

метров размещения труб в пакетах. Коридорная компоновка, как

видно из рис. 6.35, г, дает в среднем на 40...50% меньшие значения

, чем шахматная с теми же значениями S

и S

, поэтому влияние

шаговых характеристик при нулевом угле атаки q

изучалось в ос-

новном на шахматных пакетах. В пределах исследованных интерва-

лов значений параметров размещения S

= 3,17...4,22; S

2,4...5,0; S

= 1,03…1,76 интенсивность теплоотдачи изменяется

на 20...25%: наблюдается ее рост с увеличением параметра S

(рис. 6.36), относительного поперечного шага S

, а также сниже-

ние и стабилизация с увеличением относительного продольного ша-

га S

, (рис. 6.37). Наиболее высокую интенсивность теплоотдачи

среди исследованных размещений обеспечивает размещение 4 с

, = 4,22; S

= 2,40.

Раздел 6.5

218

Рис. 6.35. Результаты исследования теплообмена пакетов профилированных

оребренных труб при u

= 0: а – S

= 3,17; S

= 3,07; б – S

= 3,17;

= 3,87; в – S

= 4,22; S

= 2,40; г – S

= 4,22; S

= 2,80;

1 – шахматные пакеты труб с неполным оребрением;

2 – коридорный пакет труб с неполным оребрением;

3 – шахматные пакеты полностью оребренных труб [152]

Рис. 6.36. Зависимость Nu

ψ = f (S

) для шахматных пакетов

плоско-овальных труб с неполным оребрением при Re = 10

Рис. 6.37. Зависимость Nu

ψ = f (S

), S

= const для шахматных пакетов

плоско-овальных труб с неполным оребрением при Re = 10

: 1 – S

= 4,22;

2 – S

= 3,17

ГЛАВА 6

219

Исследования влияния угла атаки плоско-овального профиля и

различных комбинаций взаимного расположения труб с |q

|> 0 на ве-

личину

показали, что оба отмеченных фактора не оказывают

влияния на интенсивность теплообмена шахматных пакетов (рис.

6.38, а). В случае коридорной компоновки труб наблюдается не-

большое (на 15...20%) увеличение теплоотдачи с ростом q

(рис.

6.38, б), при этом больший эффект дает расположение труб по схеме

"е" (рис. 6.34). Целесообразность применения такого расположения

труб в коридорных пакетах может быть определена только с учетом

их аэродинамического сопротивления.

Рис. 6.38. Результаты исследования теплообмена пакетов плоско-овальных

труб с неполным оребрением при /u

/ > 0: а – шахматные пакеты;

б – коридорные пакеты; 1 – компоновка 6, а; 2 – компоновка 8, в;

3 – компоновка 10, г; 4 – компоновка 13, д; 5 – компоновка 15, е (номера

компоновок – в соответствии с табл. 6.6.)

б) Аэродинамическое сопротивление

Анализ данных по аэродинамическому сопротивлению (рис.

6.39) показал, что пакеты, собранные из частично оребренных труб

имеют в целом несколько более высокое сопротивление по сравне-

нию с сопротивлением пакетов полностью оребренных овальных

труб. Различен и вид зависимостей Eu

= f(Rе

): для труб с непол-

ным оребрением они имеют излом при Rе

= 10

, и в области Rе

приобретают практически автомодельный характер, в то же вре-

мя как соответствующие зависимости для пакетов полностью ореб-

ренных труб имеют устойчивый степенный характер. Отмеченные

Раздел 6.5

220

различия в значительной мере могут быть объяснены тем, что опыт-

ные образцы труб с неполным оребрением по технологическим при-

чинам имели более толстые ребра с плохо обтекаемой прямой в пла-

не кромкой по сравнению с более удобообтекаемыми овальными в

плане ребрами полностью оребренных труб (при практически одина-

ковых шагах t). В силу этого сопротивление формы для труб с не-

полным оребрением оказалось превалирующим, о чем свидетельст-

вует и отмеченный характер зависимостей Eu

= f(Rе

) для

последних. В то же время необходимо отметить, что в режимной об-

ласти наиболее вероятного применения профилированных оребрен-

ных труб Rе

= (6…10)×10

даже при имеющемся неравенстве тол-

щин ребер сопротивления сравниваемых поверхностей весьма

близки. Это позволяет заключить, что в случае равенства толщин ре-

бер у двух сравниваемых типов ребристых труб, которое возможно

при изготовлении труб с неполным оребрением путем его накатки

или приварки, отмеченные различия в уровне аэродинамического

сопротивления должны сводиться к минимуму.

Исследования влияния типа компоновки труб (рис. 6.39, г) по-

казали, что коридорные пакеты при одинаковых с шахматными па-

кетами шагах и числах Рейнольдса имеют практически в 2 раза более

низкое аэродинамическое сопротивление. Это обстоятельство позво-

ляет предположить, что возможны такие конкретные случаи, когда

применение коридорных компоновок профилированных ребристых

труб может стать более целесообразным, чем шахматных.

Влияние параметров S

и S

на величину аэродинамиче-

ского сопротивления изучалось на пакетах с шахматной компонов-

кой. Анализ, выполненный на рис. 6.40, говорит о том, что в иссле-

дованных интервалах шаговых характеристик аэродинамическое

сопротивление пакетов труб с неполным оребрением падает по мере

увеличения как относительного продольного S

, так и относитель-

ного поперечного S

шагов. При S

³ 4,0 и S

= сonst наступа-

ет стабилизация значений Еu

Изучение влияния угла атаки профиля q

(рис. 6.41) показало

однозначный существенный рост аэродинамического сопротивления

как в случае коридорных, так и в случае шахматных компоновок

ребристых труб с его увеличением. При этом величина сопротивле-

ния практически не зависит от того, какой тип взаимного располо-

жения повернутых (q

¹ 0) профилированных труб (рис. 6.34) имеет

место. В то же время можно говорить о несколько более заметном

влиянии угла атаки q

на аэродинамическое сопротивление коридор-

ных пакетов по сравнению с шахматными: в первом случае увеличе-

ние угла q

от 0° до 30° при Re

= 10

приводит к росту Еu

примерно

на 90%, а во втором - приблизительно на 70%. Кроме того, с изме-

нением q

вид зависимостей Eu

= f(Rе

) для коридорных пакетов

трансформируется: в случае q

= 30° они приобретают практически

автомодельный характер (n » 0) во всем исследованном диапазоне