Измерение локальных тепловых и аэродинамических характеристик поперечно-обтекаемых пучков оребренных труб с наклонными ребрами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.05, кандидат технических наук Карвахал Марискал, Игнасио

• Карвахал Марискал, Игнасио
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карвахал Марискал, Игнасио

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор методик сопоставления теплообменных поверхностей

1.2. Методы интенсификации теплообмена пучков оребренных труб

1.3. Предмет и задачи исследования

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1. Экспериментальное исследование локальной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ребристых систем с упругими гибкими круглыми ребрами

2.2. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик одиночной оребренной трубы с наклонными ребрами

2.3. Описание экспериментальной установки

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

3.1. Результаты исследования локальной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ребристых систем с упругими гибкими круглыми ребрами

3.2. Результаты исследования аэродинамических характеристик одиночной оребренной трубы с наклонными ребрами

3.3. Анализ энергетической эффективности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Кх, Кд, К}, - показатели энергетической эффективности; F - поверхность теплообмена, м2; (2 - тепловой поток, Вт; N - мощность на прокачку теплоносителя, Вт; V - объём, занимаемый поверхностью теплообмена, м3; ¿7, 5*2 - поперечный и продольный шаги пучка, м; й, Ь - диаметр и длина несущей трубы, м; у0 - угол наклона ребра, град.;

I, к, В - параметры оребрения: шаг, высота, наружный диаметр ребер, м; ф° - угол отсчета от лобовой критической точки цилиндра, град.; © - скорость набегающего потока, м/с;

а - коэффициент локальной и средней теплоотдачи соответственно,

Вт/м-К;

р - плотность воздуха, кг/м3;

О - расход воздуха, кг/с;

Ар - перепад давления, Па;

А? - перепад температуры, К;

р - (Р„-Рф)/(0.5-р-со2) - коэффициент давления;

Р0 - давление перед ребристой трубой, Па;

Рф - местное давление на поверхности ребра, несущей трубы, Па;

Ей = До/р-со2 - число Эйлера;

Ие = ©-¿//v - число Рейнольдса;

№ = а-с1/Х - число Нуссельта;

д - плотность теплового потока;

X - коэффициент теплопроводности;

а = 5"/ М - относительный поперечный шаг труб пучка;

Ъ = 82/с1 - относительный продольный шаг труб пучка

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение локальных тепловых и аэродинамических характеристик поперечно-обтекаемых пучков оребренных труб с наклонными ребрами»

ВВЕДЕНИЕ

В числе многих задач, решение которых определяет развитие и совершенствование новой техники, немаловажное значение имеет и теплообмен-ная аппаратура, весовые и габаритные показатели которой часто предопределяют параметры энергетических и технологических комплексов.

Создание эффективных, надежно работающих теплообменных устройств позволит повысить единичную мощность и к.п.д. энергетического оборудования, полнее использовать вторичные тепловые ресурсы котельных и парогазовых установок, энергетических и приводных Г.Т.У., уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу и т.д.

В многоплановом назначении теплообменных устройств основное место занимают рекуперативные теплообменники, тепло в которых передается через разделяющую теплоносители стенку.

Трубные пучки являются наиболее распространенными теплообмен-ными поверхностями. Высокие прочностные свойства, технологичность изготовления, хорошие теплотехнические характеристики, удобства компоновки - все эти качества обеспечили трубным пучкам преимущества перед другими поверхностями нагрева. В установках с повышенными давлениями пучки из круглых труб имеют бесспорный приоритет. Оребренные пучки обладают дополнительными достоинствами, которые обусловливают компактность и высокую приведенную интенсивность теплообмена. Ребристые поверхности внедряются с целью повышения теплообменной способности и коэффициента полезного действия рекуперативных теплообменников, особенно при наружном их обтекании газами.

Энергетические показатели ребристых поверхностей зависят от местных теплоаэродинамических характеристик в межреберном и межтрубном пространствах.

Повышение энергетической эффективности поперечнообтекаемых оребренных пучков труб неразрывно связано с повышением компактности

теплообменной поверхности. Супертесные геометрические параметры шагов труб пучка (Эх х 82) и оребрения (высота ребер - Ъ, шаг ребер -1:, толщина ребер - 8), конечно, являются залогом высокой энергетической эффективности. Однако простое развитие поверхности теплообмена позволяет увеличивать тепловой поток за счет поверхности, а не интенсивности теплоотдачи, что не всегда повышает энергетическую эффективность теплообменной поверхности. Кроме того, такие поверхности теплообмена имеют ограничения по технологии изготовления.

Многочисленные модификации геометрий оребрения, ведущие к повышению интенсивности теплоотдачи, основаны или на прерывании (разрушении) пограничного слоя для уменьшения его толщины (рассеченные, перфорированные ребра), или на искривлении межреберных каналов для формирования отрыва и присоединения пограничного слоя, то есть на организации крупномасштабного вихреобразования. В любом случае небольшое увеличение интенсивности теплоотдачи компенсирует увеличение гидравлического сопротивления поверхности теплообмена, так как скорость потока может быть уменьшена, а мощность на прокачку теплоносителя изменяется пропорционально почти кубу скорости потока.

В связи с этим поиск простых способов повышения энергетической эффективности ребристых систем с обычными параметрами оребрения (оребренные трубы экономайзера котла, пластинчато-трубные поверхности, теплообменные аппараты воздушного охлаждения и т.п.) остается актуальным.

Предлагаемый способ основан на воздействие на крупномасштабную вихревую структуру течения в межреберных каналах путем наклона всей плоскости ребра к поверхности трубы.

Наклон ребра способствует возникновению крупномасштабного вихреобразования. Следовательно, структура течения в межреберном пространстве существенно изменится по сравнению с оребренной трубой с обычными прямыми ребрами. При этом за счет ускорения потока в боковых областях и

повышенной турбулизации потока в кормовой части ребра, увеличивается интенсивность теплоотдачи. Кроме того, повышается компактность пучка оребренных труб, так как при наклоне ребер можно уменьшить межтрубные шаги Si х S2 или увеличить высоту ребра.

При различных углах наклона рёбер масштабы вихреобразования будут изменяться, могут существовать «энергетически выгодные» углы наклона, которые наряду с обычными параметрами оребрения влияют на формирование течения и теплообмена, а также на энергетическую эффективность поверхности. Поэтому основная цель данной работы - это исследование влияния угла наклона ребер у° на энергетическую эффективность пучков оребренных труб.

В настоящей работе проведено экспериментальное исследование теплоотдачи цилиндрической поверхности, аэродинамического сопротивления шести ребристых систем с различными углами наклона у° = 0°-г55° круглых (конических) рёбер. Проведено измерение распределения интенсивности теплоотдачи а по высоте наклонного ребра (у0 = 20°) для внутренней (впадина) и наружной поверхностей; определен средний коэффициент теплоотдачи по поверхности наклонного ребра.

Также в настоящей работе представлены результаты измерения распределения статических давлений по высоте наклонного ребра (у0 = 45°) для внутренней (впадина), наружной и цилиндрической поверхностей; определены коэффициенты сопротивления давления при поперечном обтекании одиночной ребристой трубы воздухом (Red = (6 -к57)-103).

Для сравнения по энергетической эффективности поверхности теплообмена с наклонными ребрами с поверхностью с обычными прямыми ребрами, в работе проведен анализ по методике "при прочих равных условиях". Выявлено повышение энергетической эффективности до 40% при угле наклона ребер у° > 20°.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Решение проблемы повышения энергетической эффективности ореб-ренных поверхностей теплообмена путем изменения формы ребер неразрывно связано, во-первых, с изучением характера и структуры течения в межреберном пространстве, во-вторых, с анализом распределения интенсивности теплоотдачи на поверхностях ребер и несущей трубы и, в-третьих, с изучением тепловых и аэродинамических характеристик пучков оребренных труб с различной формой ребер.

При рассмотрении процессов теплоотдачи и гидравлического сопротивления для пучка оребренных труб с различной формой ребер можно анализировать влияние формы ребер на теплоаэродинамические характеристики элементов пучка и на энергетическую эффективность поверхности теплообмена.

Анализ энергетической эффективности теплообменных поверхностей неразрывно связан со сравнением теплообменных поверхностей.

1Л. Обзор методик сопоставления теплообменных поверхностей

Для сопоставления теплообменных поверхностей по энергетической эффективности существуют различные методики. В работе [33] дан подробный обзор методик сопоставления, из которого ясно, что в зависимости от поставленной задачи необходимо модифицировать и методику. Кроме этого очевидно, что следует разделять сопоставление теплообменных аппаратов, теплообменных поверхностей и элементов теплообменных поверхностей.

Для теплообменного аппарата в целом количество переменных, определяющих его эффективность, довольно велико. Например, для кожухо-трубчатого теплообменника большую роль играет способ размещения трубного пучка, конструкция перегородок, а также входных и выходных устройств. В частности для пучка оребренных труб существует большое количе-

ство факторов, влияющих на его эффективность (шаг ребер, высота ребра, материал ребер, способ крепления ребер к несущей трубе, толщина ребра по высоте, способ размещения труб в пучке, расстояние между трубами).

Основным элементом оребренных поверхностей теплообмена является оребренная труба. Кроме того, можно рассмотривать и элементы оребренной трубы - ребро, несущая труба.

В работе [36] отмечается, что в основе всех многочисленных методик сравнительной оценки эффективности поверхностей теплообмена заложены методические основы, предложенные Н.В. Кирпичевым или A.A. Гухманом [21].

Кирпичев Н.В. в работе [39] ввел энергетический коэффициент Е = Q/N для оценки тепловых и гидродинамических качеств поверхности. Однако очевидно, что Е не является достаточно полной характеристикой теплооб-менной поверхности, но по значению Е в явном виде можно проследить зависимость энергетической эффективности от скорости.

Методический подход Кирпичева Н.В. получил довольно широкое развитие при решении многих задач по сопоставлению поверхностей теплообмена [10, 11, 14, 45, 69, 74]. Наложение ряда условий при сопоставлении поверхностей по Е приводит к тому, что метод Кирпичева Н.В. трансформируется в метод Гухмана A.A. [21]. В связи с этим становится очевидным, что критерий Е не противоречит остальным характеристикам поверхностей теплообмена. Он является составной частью в ряду различных характеристик.

Существующие методики сопоставления теплообменных поверхностей можно разделить на три группы:

1. Сопоставление производится при произвольных числах Re. В этом случае получают зависимость Е =f(Re) для различных поверхностей. В этой группе возможны разные варианты, целесообразность которых связана с простотой и наглядностью сопоставления.

2. Сопоставление производится при сопряженных числах Re - принцип "при прочих равных" [21, 37]. В этом случае задается число Re¡ для од-нои поверхности, а для другой Re2 определяется из условии поставленной задачи. При этом возможно три варианта сопоставления: 1 - сопоставление по тепловым потокам при одинаковых мощностях и площадях; 2 - сопоставление по мощностям при одинаковых тепловых потоках и площадях; 3 - сопоставление площадей теплообменных поверхностей при одинаковых тепловых потоках и мощностях.

В этой группе произвольно задается только Re¡.

3. Сопоставление производится при оптимальных для данной поверхности (для данного расположения труб в пучке) значениях скорости и числа

опт-

Для всех групп характерно, что теплообменную поверхность обычно характеризуют с помощью четырех величин [26]: 1 - тепловой поток Q, Вт; 2

- мощность на прокачку теплоносителя N, Вт; 3 - площадь теплообменной поверхности F, м2; 4 - объем теплообменной поверхности V, м3.

Если перейти к удельным характеристикам, то получим q = Q/F, Вт/м

- плотность теплового потока, п = N/F, Вт/м2 - удельная мощность, расхо-

2 3

дуемая на прокачку теплоносителя; V/F- 1/(3, где |3, м /м - компактность теплообменной поверхности.

Компактность теплообменной поверхности р = F/V, м /м связана с ее габаритами. Если под габаритами понимать предельные внешние очертания теплообменной поверхности, то увеличение компактности однозначно связано с уменьшением габаритов. В [17] получено выражение для компактности гладкотрубного пучка (шахматного и коридорного), которое можно применять также и для пучков других компоновок труб с известными значениями средних относительных шагов труб, поперечных а = а^ и продольных b = bcp

a-b-d

Аналогичное выражение (3 можно получить и для пучков оребренных

труб.

. 8-я-<1 тс(Б2 -<12)

--+ —--

Р =-1-21-

а-Ь

Плотность теплового потока ц это количество теплоты (), приходящее на единицу площади теплообменной поверхности К Ее можно определить

через коэффициент теплоотдачи: я = а Г А1: = а • М, и если температурный напор задан и постоянен, то теплообменную поверхность можно характеризовать значением интенсивности теплоотдачи, т.е. величиной а.

Удельная мощность, расходуемая на прокачку теплоносителя п, т.е. мощность И, расходуемая на единицу площади теплообменной поверхности ^ определяется аэродинамическим сопротивлением пучка труб.

Удельная мощность п характеризует затраты энергии для организации работы теплообменной поверхности, полезным результатом которой является тепловой поток О,

Зависимость значения Е от скорости потока делает этот критерий неоднозначным. Это является противоречием первой группы методик сопоставления по Е при произвольных числах Рейнольдса. Еще одно противоречие методик этой группы - увеличение Е при уменьшении скорости теплоносителя. Такая зависимость может привести к неверному представлению о выгоде малых скоростей теплоносителя. Но при этом будет больше и поверхность теплообмена, и как следствие - капитальные затраты на нее, что экономически невыгодно.

Преодолеть неоднозначность в оценке энергетической эффективности по коэффициенту Е позволяет методика из второй группы - по принципу "при прочих равных". Впервые этот принцип научно обоснован в [21].

В работе [37] предложен графический способ сравнительной оценки эффективности, являющийся более простой и наглядной интерпретацией метода, предложенного в [21].

Решается ряд важных практических задач:

1. Сопоставление поверхностей по тепловым потокам при одинаковых мощностях и площадях;

2. Сопоставление поверхностей по мощности при одинаковых тепловых потоках и площадях;

3. Сопоставление площадей теплообменных поверхностей при одинаковых тепловых потоках и мощностях.

В работе [37] предлагается достаточно простой графический способ сопоставления в перечисленных случаях. Автор [37] исходит из графического представления St ~АДе) и = ф(У?е). Для более конкретного анализа предложенного метода будем исходить из известного уравнения Ыи = с -Яет для трубных пучков и получим выражение для Кд для случая

Кн=—— = 1; Кр-^—=1

N,,0 Рт=о

о

Для нахождения К(3 = —— примем, что температурный режим одина-

0т=о

ков, а также используется один и тот же теплоноситель, материал ребер и труб одинаковый, отсутствует термическое сопротивление на месте крепления ребра к несущей трубе, параметры и геометрия оребрения одинаковые. То есть будем анализировать влияние угла наклона ребер на интенсивность теплоотдачи.

Получим выражение для Кд:

Ру=0 01 у=0

'с л

с

V г=°)

Ые;

(ту-ту=0)

Как видно из полученного выражения, значение Кд зависит от исходного числа Яв!, поэтому эффективность поверхности может быть различной, в зависимости от выбранного числа Рейнольдса. Значение Ке2 связано с Яв} посредством условий сопоставления, поэтому в отличие от сопоставления поверхностей по коэффициенту энергетической эффективности Е, методы второй группы имеют большую определенность, а потому и преимущество.

К третьей группе относятся методы, основанные на технико-экономической оптимизации по минимуму приведенных годовых затрат [22,28,49].

В работе [22] получил дальнейшее развитие метод "при прочих равных" [21] на основе обобщенного анализа. Предлагается способ обработки экспериментальных данных по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению. Полученные в этой работе безразмерные характеристики дают возможность, используя метод "при прочих равных", оценить сравнительную эффективность поверхностей теплообмена.

По изложенному обзору можно сделать следующий вывод:

- Методика сопоставления поверхностей теплообмена "при прочих равных" отличается простотой и дает полное представление об энергетической эффективности поверхностей теплообмена по сравнению с другими методиками сопоставления.

1.2. Методы интенсификации теплообмена пучков сребренных труб

Увеличение тепловой мощности теплообмеников в неизменных габаритных размерах достигается рядом принципиально разных способов:

применением труб с повышенными коэффициентами оребрения, что связано с некоторым ростом металлоемкости аппарата;

увеличением скорости и расхода охлаждающего воздуха, что сопровождается ростом потребляемой мощности на привод вентилятора;

интенсификацией конвективного теплообмена оребренной трубы искусственной турбулизацией пограничного слоя на поверхности оребрения.

В отличие от двух первых, последний способ не требует увеличения капитальных и эксплуатационных затрат.

Как было отмечено выше, в целях интенсификации теплообмена ребристых поверхностей проводятся мероприятия, увеличивающие конвективную составляющую теплообмена ак. Для этого применяют винтовые ребра с нанесенной на них шероховатостью в виде зубьев, разрезные ребра, перфорированные ребра и т.д.

Общим для всех этих поверхностей является то, что пограничный слой, формирующийся на элементах поверхности, довольно быстро возмущается или разрушается благодаря турбулизаторам, в качестве которых выступают отгибы, разрезы ребер, гофры, отверстия перфорации, выштамповки и т.п. Интенсивность возмущений зависит от режима течения, расстояния между турбулизаторами, порядка их расположения, высоты, направленности вихрей, формирующихся на этих турбулизаторах, и других причин.

Большой объем работ по изучению влияния формы ребер на теплообмен и аэродинамическое сопротивление пучков оребренных труб с различной формой ребер выполнен разными авторами [9, 11, 20, 29, 30, 32, 35, 43, 89].

Влияние выступов и ребер на разрушение пограничного слоя и генерацию вторичных течений анализировано и в работах [8, 75, 76, 86, 87]. В том числе в работе [76] авторы исследовали влияния угла атаки ребер на распределение локального коэффициента теплообмена в коротких узких приямо-угольных каналах с оребрением двух противоположных стенок. Углы атаки ребер составляли 90°, 60°, 45° и 30°. Результаты показывают, что в узких каналах отмечается более эффективный перенос тепла, чем в широких при том же расходе жидкости. Узкие каналы можно рассматривать как межреберное пространство, а ребра как турбулизаторы потока.

В работе [50] наиболее полно приводятся уравнения вида Ыи = с-Яет и Ей = а-Яе" для определения средней теплоотдачи и аэродинамического со-

противления пучков труб с накатными разрезными ребрами, с разрезными ребрами через одно ребро, с радиально-разрезанными ребрами, с радиально-разрезанными ребрами с разворотом лепестков, с радиально-разрезанными ребрами со смещенными лепестками и с ребрами типа "интеграл" и "полуинтеграл". С помощью этих уравнений можно оценить рост энергетической эффективности при использовании оребренных труб с различной формой ребер путем их сравнения с обычными гладкоребристыми.

В книге [82] автор проводил анализ некоторых экспериментальных работ, связанных с изучением влияния различных форм ребер на энергетическую эффективность поверхностей нагрева [9, И, 29, 30, 32, 35, 43, 70, 78, 89]. Целью анализа было выявить целесообразность применения пучков оребренных труб с различной формой ребер. Последние были шиповые круглые и плоские ребра, дисковые ребра, проволочное оребрение, ребра с искусственной шероховатостью, разрезанные ребра и ребра с перфорациями. По этому анализу автор делает вывод о том, что несмотря на увеличение интенсивности теплоотдачи некоторых из этих поверхностей теплообмена, это в основном компенсируется повышением гидравлического сопротивления движению теплоносителя, и тогда эффективность этих поверхностей нагрева остается почти такой же, как и для гладкоребристых, а иногда и несколько ниже. Кроме того, изменение формы ребра усложняет технологию изготовления, и, следовательно, растет их стоимость, а также они более расположены к загрязнению.

Несмотря на эти недостатки, в последнее время, особенно для теплообменников воздушного охлаждения, применяется целый ряд поверхностей из оребренных труб с различной формой ребер [18, 44, 45, 72, 75, 77, 80]. Повышение энергетической эффективности достигается в основном за счет использования биметаллических труб с накатными ребрами из высокотеплопроводного материала.

Также для теплообменников воздушного охлаждения широко применяются трубы с овальным сечением. Эти трубы имеют меньшее аэродинами-

ческое сопротивление вследствие уменьшения ширины отрывной рециркуляционной зоны в корме по сравнению с круглоребристыми трубами. Кроме того, более эффективно перераспределяется площадь ребер путем переноса ее основной части на боковые участки трубы, где местные коэффициенты теплоотдачи выше. В работе [84] автор представил результаты исследования теплоотдачи пучков оребренных труб овального сечения. По этим результатам видно, что теплоотдача существенно увеличивается по сравнению с обычными круглоребристыми трубами, однако можно отметить и то, что не вся поверхность ребра участвует в процессе теплообмена. Особенно это касается лобовой и кормовой областей.

Один из путей повышения теплоаэродинамической эффективности для овальных оребренных труб описан в работе [56]. Предлагается схема, в которой части трубы, имеющие большую кривизну (лобовая и кормовая части) не оребрены. Автор аргументирует это решение тем, что у предлагаемого типа поверхности отсутствует та часть оребрения, которая относительно плохо "работает" не только потому, что, как правило, находится в области аэродинамической тени, но и потому, что ее коэффициент эффективности Е ниже, чем у участков ребер, расположенных на плоских боковых сторонах труб.

Комплексные исследования, включавшие визуализацию течения, измерения распределения статических давлений и интенсивность теплоотдачи на поверхности ребра, были проведены автором [54, 55, 57, 58, 59, 60]. Теоретическое [57] и экспериментальное [58] изучение картины омывания пучков труб со спиральными и шайбовыми ребрами в поперечном потоке воздуха показывает, неравномерность распределения интенсивности теплоотдачи на поверхности ребра. На боковой поверхности ребра существует обширная зона безотрывного течения, в пределах которой происходит нарастание пограничного слоя, здесь наблюдаются минимальные значения теплоотдачи, максимальная же теплоотдача в основном приходится на прикорневую зону лобовой области (см. рис. 1). Здесь образуются вторичные отрывные течения на узких участках вокруг основания ребра и вдоль кормовой части его по гра-

Рис. 1. Схема характерных областей на поверхности ребристой трубы в глубине пакета: 1 - область интенсивных вторичных циркуляционных течений; 2 - кормовая вихревая зона.

Рис. 2. Труба с конфузорной подгибкой ребер.

У

Рис. 3. Вдув потока в межтрубное пространство через щели стенок конфузо-ра.

ницам турбулентного следа, стекающего с боковых поверхностей цилиндра, эти течения и определяют гидродинамическую обстановку в кормовой области ребра.

На основании этих исследований автор в работах [52, 56, 58] предлагает повысить интенсивность теплоотдачи на поверхности ребра путем конфу-зорной подгибки ребер (см. рис. 2). При этом автор указывает, что интенсивность теплообмена возрастает как за счет уменьшения размеров областей с низкими локальными скоростями, так и за счет увеличения доли поверхности ребристой трубы, взаимодействующей с высокоинтенсивными вторичными циркуляционными течениями, вследствие вовлечения в контакт с ними периферийных боковых участков ребра и увеличения длины вихревых жгутов в пределах его поверхности. Кроме того, конфузорный участок в кормовой части межреберных каналов позволяет ускорить поток в этой области ребристой трубы (см. рис. 3), что также влечет за собой повышение значений коэффициентов теплоотдачи.

По тем же соображениям, для улучшения массовой и габаритной характеристик трубного пучка с круглоребристыми трубами, автор в работе [50] предлагает удалить неудовлетворительно участвующую в теплоотдаче часть ребра путем выреза ее по хорде вдоль плоскости, параллельной миде-леву сечению трубы. Расчеты, проведенные автором, показали, что применение этих труб обеспечит снижение мощности на прокачку теплоносителя примерно на 20% при исходном тепловом потоке для обычной поверхности из цельных круглоребристых труб.

Иной путь повышения интенсификации теплообмена представлен в работе [88]. Автором получены экспериментальные данные о повышении теплоотдачи от оребренной трубы, ориентированной под углом к потоку. Представленные результаты свидетельствуют о том, что при угле наклона трубы 0 = 40° относительно направления поперечного обтекания, средняя теплоотдача ребристой одиночной трубы возрастает до 30%.

Рис. 4. Теплообменник воздушного охлаждения: 1 - вентиляторная установка; 2, 7 - опорные стержни; 3 - ось вентиляторной установки; 4 - теплооб-менная секция; 5 - воздухосборник; 6 - прямолинейный стержневой элемент; 8 - центральное отверстие.

б)

Рис. 6. Теплообменник воздушного охлаждения: а) общий вид: 1 - трубная теплообменная секция; 2 - коллектор; 3 - вентилятор; 4 - воздухосборник; 5 - электродвигатель; б) зависимость аэродинамического сопротивления АР от угла наклона а трубной теплообменной секции.

Установка поверхностей теплообмена под определенным углом к потоку применена и в [1, 4].

В [1] автор в основном делает упор на удобство монтажа этих теплообменников воздушного охлаждения с наклонными поверхностями теплообмена (см. рис. 4), а также замечает уменьшение потери давления и достаточно высокую интенсивность теплообмена.

С другой стороны в [4] авторы предлагают теплообменник воздушного охлаждения с наклонной поверхностью теплообмена, причем они указывают диапазон углов наклона а от 0° до 35° (см. рис. 6 а). Они провели исследования для выявления влияния угла наклона поверхности теплообмена на ее те-плоаэродинамические характеристики. Результаты показаны на рис. 6 б. Из этого рисунка видно, что при установке поверхности теплообмена под углом а = 20° аэродинамическое сопротивление этой поверхности уменьшается на 32% по сравнению с поверхностью теплообмена, установленной под углом а = 0°. При этом благодаря особенности аэродинамических характеристик осевого вентилятора и за счет снижения сопротивления поверхности теплообмена увеличились количество воздуха, подаваемого вентилятором к поверхности теплообмена, и скорость воздушного потока в межтрубном пространстве. С увеличение скорости возрастает коэффициент теплоотдачи с оребренной поверхности примерно на 10%.

В [3] предлагается метод интенсификации теплообмена для трубчато-пластинчатых теплообменников воздушного охлаждения, в которых охлаждающие трубки каждого последующего ряда выполнены с наклоном относительно трубок предыдущего ряда и имеют постоянно увеличивающийся угол встречи с потоком охлаждающего воздуха (см. рис. 5). В первом ряду ось охлаждающих трубок совпадает с направлением движения охлаждающего воздуха. Во втором ряду ось имеет некоторый угол встречи с потоком охлаждающего воздуха, например, 3-5°, в третьем ряду угол встречи составляет примерно 7-10°, а в четвертом ряду - 12-15°. Таким образом воздух, проходя

Рис. 7. Трубчато-пластиичатый теплообменник: а - общий вид теплообменника; б - сечение охлаждаемой пластины. 1 - плоская труба; 2, 3 - плоские пластины; 4, 5 - выступы и впадины верхней смежной пластины; 6, 7 - впа-

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы теплотехники», Карвахал Марискал, Игнасио

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам исследования можно сформулировать следующие основные выводы:

1. Получено распределение коэффициентов теплоотдачи на поверхностях наклонного ребра. Установлено, что для исследуемого угла наклона ребер у0 = 20° наибольшие значения теплоотдачи локализуются у основания на наружной (конусной) поверхности ребра.

2. Получены обобщающие зависимости для расчета средней конвективной теплоотдачи на цилиндрической поверхности с учетом влияния угла наклона ребер у° для всех исследуемых ребристых систем и для всей поверхности оребренной трубы с наклонными ребрами при у° = 20°.

3. Получены обобщающие зависимости для расчета аэродинамического сопротивления с учетом влияния угла наклона ребер у° для всех исследуемых ребристых систем.

4. Получены распределение статических давлений на поверхностях оребренной трубы с наклонными ребрами (утол наклона у° = 45°) и значения коэффициента сопротивления давления CD.

5. Составлена схема течения и вихреобразования в межреберном пространстве оребренной трубы с наклонными ребрами (угол наклона у° = 45°), при углах поворота трубы ср° = 0°, 90° и 180°.

6. Проведен анализ энергетической эффективности, выявлено, что при у° > 20° энергетическая эффективность всех ребристых систем резко повышается и может достигать значений до 40% выигрыша по тепловому потоку при одинаковых поверхности теплообмена и мощности на прокачку, по сравнению с базовой системой с прямыми ребрами.

112

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карвахал Марискал, Игнасио, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство СССР № 1164543. Теплообменник воздушного охлаждения. / Армии Нагел (ГДР). - Заявлено 19.12.79; Опубл. 1985.

2. Авторское свидетельство СССР № 1168796. Пластинчато-трубный теплообменник. / С.Р. Гопин, А.П. Старостин, Ю.Ф. Комлык, М.Г. Друй, В.И. Клюев, Ю.И. Березников и В.П. Парфейник. - Заявлено 30.11.83; Опубл. 1985.

3. Авторское свидетельство СССР № 1353475/24-6. Радиатор. / В.А. Феркович,

3.С. Мираков, Л.Г. Видревич, И.А. Певнев, П.Г. Березин, Л.В. Панасенко, С.С. Вронский и Л.А. Аверкин. - Заявлено 04.08.69; Опубл. 1972.

4. Авторское свидетельство СССР № 1733889. Теплообменник воздушного охлаждения. / М.Д. Сенаторов, А.Н. Бессонный, О.Н. Маньковский, О.Б. Иоффе, Ю.С. Чилипенок, А.Г. Боровкова, A.A. Брилль и В.В. Кирин. - Заявлено 27.02.90; Опубл. 1992.

5. Авторское свидетельство СССР № 178343. Устройство для нагревания воздуха/А.Г. Рожанский. - Заявлено 15.10.35; Опубл. 30.04.37.

6. Авторское свидетельство СССР № 709945. Трубный пучок. / В.А. Кирпиков, O.A. Сергеев, A.B. Вансович и И.М. Калнинь. - Заявлено 03.02.78; Опубл. 1980.

7. Авторское свидетельство СССР № 960522. Трубчато-пластинчатый теплообменник. / Е.В. Дубровский, В.П. Дунаев, А.И. Кузин, Н.И. Мартынова, Л.А. Фольц, Л.А. Аверкиев, А.П. Шмелев, С.С. Вронский и Е.В. Васильев. - Заявлено 28.01.80; Опубл. 23.09.82.

8. Александров O.E., Образ С.П., Селезнев В.Д. и др. Эффект выделения тепла в газовом потоке на стыке каналов с различной шероховатостью поверхности. // ИФЖ, т. 59, № 3 IX/1990, с. 466.

9. Антуфьев В.М. Исследование эффективности различных форм оребренных поверхностей в поперечном потоке. // Теплоэнергетика, 1965. № 1, с. 81-86.

10. Антуфьев В.М. Сравнительные исследования теплоотдачи и сопротивления ребристых поверхностей. //Энергомашиностроение, 1961, № 2, с. 12-16.

11. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. -М.-Л.: Энергия, 1967. 184 с.

12. Аэродинамический расчет котельных установок. Нормативный метод / Под ред. С.И. Мочана. М.: Энергия, 1977.

13. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообмен-ным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989.

14. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. -М.: Машиностроение, 1973.

15. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. - Л.: Судостроение, 1969. 364 с.

16. Витков Г.А., Холпанов Л.П., Шерстнев С.Н. Гидравлической сопротивление и тепломассообмен. -М.: Наука, 1994. 288 с.

17. Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб. / Жукаускас А., Улин-скас Р., Катинас В. - Вильнюс: Мокслас, 1984. 312 с.

18. Гоголь Н.И., Лагутин А.Е., Чепурненко В.П. Экспериментальное исследование теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучков труб с попереч-

ными ребрами бисегмеитной формы. // Холодильная техника и технология: Респ. межвед. научн.-техн. сб., 1988, вып. 47, с. 61-63.

19. Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники: Учебное пособие для вузов. - М.: Энергоиздат, 1982.

20. Гухман A.A. Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей. // Теплоэнергетика, 1977, № 4, с. 5-8.

21. Гухман A.A. Методика сравнения конвективных поверхностей нагрева. // ЖТФ, 1938. Т. 8, № 17, с. 1584-1602.

22. Гухман A.A., Зайцев A.A. Расчет и оценка эффективности конвективных поверхностей теплообмена сложной формы на основе обобщенного анализа. // Современные проблемы теории теплообмена и физической гидродинамики. Новосибирск: 1984. С. 16-30.

23. Евенко В.И., Соченов В.М. Методика оценки эффективности теплообменных аппаратов и поверхностей теплообмена. // Изв. вузов. Сер. Энергетика, 1967, №4, с. 71-76.

24. Евенко В.И., Шишков В.М. Обобщенные зависимости по теплообмену и сопротивлению трубчатой поверхности, оребренной гофрированной лентой. // Теплоэнергетика, 1969, № 6, с. 33-37.

25. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. 472 с.

26. Зайцев A.A. Критерии оценки эффективности конвективных поверхностей теплообмена для газовых теплоносителей. // ТОХТ, 1984. Т. 18, № 5, с. 623-631.

27. Запенкова Г.И., Летавин М.И., Шестаков Н.И. Температурное поле вращающегося цилиндра. // ИФЖ, т. 59, № 1 VII/1990, с. 169.

28. Змачинский A.B. Определение экономически наивыгоднейших скоростей газов в конвективных поверхностях с шахматным расположением труб. // Теплоэнергетика, 1968. № 6, с. 18-21.

29. Зозуля Н.В., Хавин A.A., Калинин Б.Л. Влияние перфорации поперечного пластинчатого оребрения овальных труб на интенсивность теплоотдачи. // В кн.: Теплофизика и теплотехника. Киев: Наукова думка, 1969. Вып. 15, с. 70-72.

30. Иохведов Ф.М. Интенсификация теплообмена шахматных пучков труб с поперечными ребрами путем применения разрезки ребер. // Тр. ЛТИЦБП, 1968. Вып. 21, с. 392-401.

31. Исследование теплоаэродинамических характеристик пучков труб различных материальных исполнений и форм оребрения. // Научный отчет Арханг. лесотехн. ин-та; рук. В.Б. Кунтыш. - Инв. №Б921123. - Архангельск, 1980. 78 с.

32. Исследование теплоотдачи и аэродинамического сопротивления поперечно-обтекаемого круглого разрезного ребра. // Изв. АН АрмССР. Сер. Технических наук, 1964. Т. XVII, № 6, с. 33-40.

33. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

34. Карвахал М.И., Пронин В.А. Повышение энергетической эффективности поперечнообтекаемых пучков труб. // V Международная научно-техническая

конференция студентов и аспирантов, Москва, 04.1999. Теплоэнергетика. Котельные установки и водоподготовка. Т. 2, с. 274-275.

35. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. - М.: Энергия, 1967. 224 с.

36. Кирпиков В.А. Интенсификация конвективного теплообмена посредством создания в потоке неоднородностей давления: Автореф. дис. на соиск. учен, степ. докт. техн. наук. -М.: 1986.

37. Кирпиков В.А., Лейфман И.И. Графический способ сравнительной оценки эффективности конвективных поверхностей нагрева. // Теплоэнергетика, 1975. № 3, с.34-36.

38. Кирпиков В.А., Цирельман Н.М. К вопросу об определении эффективности теплообменных поверхностей. // Изв. вузов. Сер. Энергетика, 1972, № 1, с. 100-103.

39. Кирпичев М.В. О наивыгоднейшей форме поверхности нагрева. // Изв. Энергетического института им. Кржижановского АН СССР, 1944. Т. 12, с. 5-9.

40. Корниенко И. П. Средняя теплоотдача при обтекании цилиндра поперечным потоком воздуха. // ИФЖ, т. 59, № 4 Х/1990, с. 648.

41. Кружилин Г.Н. Теплофизика в тепловой и ядерной энергетике: Сборник работ / под ред. Ю.Г. Назмеева. - Казань: Казан, фил. Моск. энерг. Ин-та, 1998.

42. Кузнецов Н.В. Рабочие процессы и вопросы усовершенствования конвективных поверхностей котельных агрегатов. -М.: Госэнергоиздат, 1958. 172 с.

43. Кунтыш В.Б. Теплоотдача и аэродинамическое сопротивление пучков труб с гладкими и разрезными ребрами. // Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Л.: ЛКИ, 1969. 21 с.

44. Кунтыш В.Б., Кузнецов Н.М. Тепловой и аэродинамический расчеты ореб-ренных теплообменников воздушного охлаждения. - СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 280 с.

45. Кунтыш В.В. Иохведов Ф.И. Выбор эффективной поверхности нагрева для создания компактного воздухоподогревателя (калорифера). // Изв. вузов. Сер. Энергетика, 1970. № 5, с. 68-72.

46. Мигай В.К., Фирсова Э.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. - Л.: Наука, 1986. 195 с.

47. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973. 320 с.

48. Обобщение экспериментальных данных и разработка рекомендаций по расчету теплоотдачи шахматных пучков из труб со спиральным и шайбовым ореб-рением в поперечном потоке газа. / В.Н. Фомина, Е.Я. Титова, В.К. Мигай и др. // Энергетические станции, 1991. № 6, с. 48-56.

49. Определение наивыгоднейших скоростей газов в экономайзерах мембранного типа. / A.B. Змагинский, Ю.В. Мусатов, Г.И. Левченко, В.А. Медведев. // Энергомашиностроение, 1974. № 7, с. 13-15.

50. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник. / А.Н. Бессонный, Г.А. Дрейцер, В.Б. Кунтыш и др.; под общ. ред. В.Б. Кунтыша, А.Н. Бессонного. - СПб.: Недра, 1996. 512 с.

51. Патент РФ № 2034223. Пластина беструбного теплообменника. / Строков-ский Л.И., Гусев В.А. - Заявлено 25.06.92; Опубл. 1995.

52. Патент РФ № 2000518, 1994.

53. Петухов Б.С. Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой: Монография. -М.: Издательство МЭИ, 1993. 352 с.

54. Письменный E.H. Исследование течения на поверхности ребер поперечно-оребренныхтруб. //ИФЖ, 1984. Т. 47, № 1, с. 28-31.

55. Письменный E.H. Особенности течения и теплообмена в шахматных пучках поперечно-оребренныхтруб. //ИФЖ, 1991. Т. 60, № 6, с. 895-902.

56. Письменный E.H. Способы повышения эффективности теплообменник поверхностей поперечно-оребренных труб. // Минск: Тр. III ММФ по тепломассообмену, 1996. Тепломассообмен в энергетических устройствах и энергосбережение. Т. X, ч. 2, с. 221-225.

57. Письменный E.H. Теплообмен и аэродинамика пакетов поперечно-оребренных труб: Автореф. дис. докт. техн. наук. - Киев, 1994. 37 с.

58. Письменный E.H. Физическая модель процессов течения и теплообмена в конвективных поперечно-оребренных поверхностях // Интенсификация теплообмена: Тр. Первой Российской национальной конференции по теплообмену. -М.: Изд-во МЭИ, 1994, т. 8.

59. Письменный E.H., Легкий В.М. К расчету теплообмена многорядных шахматных пучков труб с кольцевым поперечным оребрением. // Теплоэнергетика, 1984, № 6, с. 62-66.

60. Письменный E.H., Терех A.M. Локальный теплообмен в пакетах поперечно-оребренных труб. //Пром. теплотехника, 1993. Т. 15, № 3, с. 45-55.

61. Письменный E.H., Терех A.M. Обобщенный метод расчета конвективного теплообмена поперечно-омываемых труб с внешним кольцевым и спирально-ленточным оребрением. // Теплоэнергетика, 1993. № 5.

62. Портянко A.A., Локшин В.А., Фомина В.Н. Загрязнения поперечно-омываемых пучков труб с приварным спирально-ленточным оребрением. // Теплоэнергетика, 1984. № 6, с. 62-66.

63. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов. -М.: Энергия, 1978. 704 с.

64. Пронин В. А. Измерение гидродинамических характеристик и теплоотдачи в тесных поперечнообтекаемых трубных пучках. Энергетически эффективный способ размещения труб в пучке: Дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. -М.: 1989.

65. Пронин В.А., Карвахал М.И. Повышение компактности и энергетической эффективности конвективных поперечно-оребренных поверхностей теплообмена. // Тр. III ММФ по тепломассообмену, Минск, 1996. Тепломассообмен в энергетических устройствах и энергосбережение. Т. X, ч. 2, с. 150-154.

66. Пронин В.А., Карвахал М.И. Экспериментальное исследование локальных теплоаэродинамических характеристик при поперечном обтекании трубы с наклонными ребрами. // Тр. II Российской национальной конференции по теплообмену. - М.: Изд. МЭИ, 1998. Интенсификация теплообмена, т. 6, с. 184-187.

67. Расчет и рекомендации по проектированию поперечно-оребренных конвективных поверхностей нагрева стационарных котлов. РТМ 108.030.140-87. -СПб.: МПО ЦКТИ, 1988. - 31 с.

68. Саликов А.П., Тулин С.Н. Методика сравнения пучков труб с проволочным оребрением. //Энергомашиностроение, 1959. № 11, с. 20-21.

69. Стасюлявичюс Ю., Скринска А. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. - Вильнюс: 1974.

70. Таранян И.Г. Интенсификация конвективного теплообмена в пучках труб с поперечными ребрами. // Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1970. 21 с.

71. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / Под ред. Н.В. Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973.

72. Теплогидравлические характеристики компактных пучков ребристых труб. / В. Илгарубис, А. Буткус, Р. Улинскас, И. Жюгжда. // Литовская академия наук. Энергетика, 1990. № 2, с. 116-133.

73. Теплообменная аппаратура энергетических установок. / М.М. Андреев, С.С. Берман, В.Г. Буглаев, Х.Н. Костров. -М.: Машгиз, 1963.

74. Теплообменные аппараты из профильных листов. / В.М. Антуфьев, Е.К. Гусев, В.В. Иваненко и др. -М.: Энергия, 1972.

75. Хавин A.A. Влияние угла атаки потока на теплоаэродинамические характеристики пучков ребристых труб. / АН УССР. Редколлегия журнала "Промышленная теплотехника". Киев, 1989. 10 с. - Деп. в ВИНИТИ, № 6957 - В89.

76. Хан Й.Ц., Oy С., Парк С. и Лей С.К. Интенсифицированный теплоперенос в узких прямоугольных каналах с турбулизаторами в виде ребер. // Журнал "Тепло- и массоперенос", т. 32, № 9 IX/1989, с. 1619-1630.

77. Характеристики пучков труб аппаратов воздушного охлаждения. / В.Б. Кунтыш, А.Э. Пиир, Л.М. Федотова и др. // Химия и технология топлив и масел, 1980. № 5, с. 15-18.

78. Экономайзеры ЗиО из труб с поперечным оребрением. / А.У. Липец, И.А. Сотников, А.Я. Андреева и др. - Энергомашиностроение, 1978. № 10, с. 7-10.

79. Экспериментальное исследование теплообмена и аэродинамики пучков труб с эллиптическим оребрением. / А.Е. Лагутин, В.П. Чепурненко, A.A. Пархоменко, Н.И. Гоголь. // Холодильная техника и технология: Респ. межвед. научн,-техн. сб., 1986, вып. 42, с. 13-17.

80. Экспериментальное исследование теплоотдачи и сопротивления пучков аппаратов воздушного охлаждения из биметаллических высокоребристых труб. / В.П. Чепурненко, А.Е. Лагутин, А.Л. Пархоменко, Н.И. Гоголь. // Холодильная техника и технология: Респ. межвед. научн.-техн. сб., 1986, вып. 42, с. 8-13.

81. Юдин В.Ф. Теплообмен в оребренных пучках. - Л.: Энергия, 1980. С. 210.

82. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечно оребренных труб. // ПО "Машиностроение", 1982. 190 с.

83. Юдин В.Ф., Тохтарова Л.С. Сравнение методов полного и локального теплового моделирования. //Энергомашиностроение, 1970, № 12, с. 26-28.

84. Юдин В.Ф., Федорович Е.Д. Теплообмен пучков оребренных труб овального профиля. // IIММФ: Минск, 1992. Т. I, ч. I, с. 58-61.

85. Buccini A., Soliman H.M. Оптимальные размеры систем кольцевых ребер. // Тр. Американского общества инженеров-механиков. Сер. С, Теплопередача, № 2-1986, с. 197-200.

86. Нал J.C., Chandra P.R., Lau S.С., Texas А&М University. Исследование распределений локального тепло- и массообмена при повороте на 180° в двухходовом гладком канале и в канале с ребристыми турбулизаторами на стенках. // Тр. Американского общества инженеров-механиков. Сер. С, Теплопередача, № 41988, с. 67.

87. Mullisen R.S., Loehrke R.I. Исследование механизмов течения, обусловливающих интенсификацию теплоотдачи в теплообменниках с разнесенными пластинами. // Тр. американского общества инженеров-механиков. Сер. С, Теплопередача, № 2-1986, с. 112.

88. Samie F., Sparrow Е.М. Теплоотдача от оребренной трубы, ориентированной под углом к потоку. // Тр. американского общества инженеров-механиков. Сер. С, Теплопередача, № 2-1986, с. 205-208.

89. Zoller R.E. Extended heat échangé surface for marine and nuclear boilers. North East Coast Institution of Engineers and Shipbiulders, Transactions, 1958, Vol. 74, Part. 4, p. 205-218.