Теплоотдача и гидросопротивление профилированных труб с 2D и 3D шероховатостью при переходных режимах течения

И. А. Попов, А. В. Щелчков, М. З. Яркаев, Д. В. Рыжков,

Р. А. Ульянова

ТЕПЛООТДАЧА И ГИДРОСОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ТРУБ С 2D И 3D ШЕРОХОВАТОСТЬЮ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ТЕЧЕНИЯ

Ключевые слова: дискретная шероховатость, телоотдача, гидродинамика.

В работе представлены результаты экспериментального исследования гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с дискретной шероховатостью в виде кольцевой накатки и систем сферических выемок и выступов при вынужденной конвекции воды при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения.

Keywords: discrete roughness, heat transfer, friction factor.

The paper presents the results of experimental studies on friction factor and heat transfer in channels with discrete roughness in the form of corrugated tubes and tubes with spherical grooves in forced convection in laminar, transitional and turbulent flow regime of water.

Введение

Одним из промышленно перспективных способов повышения эффективности теплообменного оборудования является использование дискретно шероховатых труб [1,2,14]. В настоящее время хорошо изучены теплогидравлические характеристики интенсифицированных каналов при турбулентных и ламинарных режимах течения, имеются конкретные рекомендации по выбору оптимальных высот, шагов и т.д. интенсификаторов с целью получения максимальной теплоотдачи или теплогидравлической эффективности. В первую очередь выбор параметров интенсификаторов связан с необходимостью разрушения ламинарного погранслоя или вязкостного подслоя турбулентного погранслоя. При переходном режиме использование интенсификаторов с параметрами, оптимальными для ламинарного или турбулентного течения, может не привести к ожидаемому эффекту или резкому уменьшению теплогидравлической эффективности. Все это касается и интенсификаторов в виде различного типа 2Б и 3Б дискретной шероховатости (выступы поперечные, сферические и др.). В современной мировой литературе имеется ограниченное количество работ посвященных исследованиям интенсификации теплоотдачи при переходных режимах течения [7-13]. В них не дается конкретных рекомендаций по выбору оптимальных параметров интенсификаторов и возможностям их изменения при изменении скорости при переходном режиме течения. Результаты последних результатов исследований [3] позволяют утверждать, что поверхностные интенсификаторы могут обеспечить значительные показатели тепло-гидавлической эффективности при переходных режимах течения. При этом указывается, что 3Б шероховатость может обеспечить значительную теплогидравлическую эффективность [4,5].

Основные результаты Условия экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования гидродинамики и теплоотдачи проводились при вынужденном течении воды в трубах длинной Ь=1000 мм,

внутренним диаметром Б=7,б и Б=10,2 мм, относительной длиной ЬМ=100. Характерные геометрические и безразмерные параметры труб с кольцевыми выступами (2Б-шероховатость) и с полусферическими выступами и выемками (3Б-шероховатость) представлены в табл.1 и 2.

Таблица 1 - Геометрические характеристики теплообменных труб с 2D шероховатостью

№ h, мм D, мм L, мм t, мм d/D t/D t/h Обозн

1 0,11 10 1000 2,5 0,9В 0,25 22,7 Я

2 0,5 10 1000 2,5 0,9 0,25 5 н

3 0,6 10 1000 2,5 0,88 0,25 4,2 m

4 0,5 10 1000 5 0,9 0,5 10 А

5 1 10 1000 5 0,8 0,5 5 \

6 1 7,6 1000 4 0,74 0,5 4 і\

7 0,15 10 1000 10 0,97 1 67 !8)

В 0,45 10 1000 10 0,91 1 22,2 О

9 0,5 10 1000 10 0,9 1 20 е

10 0,7 10 1000 10 0,86 1 14,3 CD

11 1 10 1000 10 0,8 1 10 Cl

12 1 7,6 1000 7,5 0,74 1 7,5 С

Таблица 2- Геометрические характеристики теплообменных труб с 3D шероховатостью

№ h, мм dc, мм d/D h/dc Si, мм S2, мм f Обозн

1с 1,3 4 0,76 0,33 9 6 0,27

2с 1,3 5 0,76 0,26 9 6 0,42

Зс 0,5 2,6 0,9 0,2 6 5 0,2

4с 0,5 2,5 - 0,2 7 7 0,2 <1

5с 0,1 1,8 0,98 0,05 10 6 0,05 ☆

6с 0.5 2,6 0,9 0,2 9 6 0,11 О

Трубы 1с-3с, 5с и 6с со сферическими выступами внутри, 4с - со сферическими выемками внутри трубы.

В трубах осуществлялась вынужденная конвекция дистиллированной воды, подаваемой из накопительного бака с помощью насоса через систему гасителей пульсаций. Теплообменная труба нагревалась омическим способом (непосредственно пропусканием электрического тока по ней). Для стабилизации течения и исключения дополнитель-

ных возмущении потока устанавливались прямолинейные участки с внутренним диаметром 10,2 или 7,6 мм на входе с ЬМ=200 и на выходе ЬМ=100. В ходе эксперимента измерялись: расход воды через теплообменную трубку, полное и статическое давление на входе и перепад давлений на теплообменной трубке, температуры теплоносителя на входе и выходе из теплообменной трубки, и температуры трубки по длине трубки в характерных точках, параметры электрического тока системы нагрева трубки. По измеряемым данным определялись потери давления и коэффициенты гидросопротивления, тепловые потоки, воспринимаемые теплоносителем и средние коэффициенты теплоотдачи на участках трубы и по всей трубе.

Внешний вид дискретной шероховатости в виде полусферических выступов и выемок (3Б-шероховатость) и кольцевых выступов (20-шероховатость) представлен на рисунке 1. 3Б дискретная шероховатость труб достигалась штамповкой, а 2Б - накаткой.

Рис. 1 - Фотографии профилей сечения труб с полусферическими выступами (3Б-

шероховатость) и с кольцевой накаткой

Результаты тестовых опытов по гидросопротивлению и теплоотдаче прямой трубы удовлетворительны - с отклонениями не более +5^+10% (показано далее на рис.2) - согласуются с известными зависимостями:

для ламинарного режима -I = 64/Яев

для турбулентного режима -

% = 0,3164/Яев 0 25

= еШва/V

где с=0,15; т=0,33; п=0,33; к=0,1; />=0,25 - для лами-

нарного режима; с=0,021; т=0,8; п=0,43; к=0; р=0,25 - для турбулентного режима; и=0,43; А-0; р=0,25;

= еНа^1 (по данным табл.З) - для переходного

режима.

Таблица 3 - Зависимость величины К0 от критерия Яе

Гидросопротивление и теплоотдача в каналах с кольцевой накаткой

Гидросопротивление и теплоотдача труб с кольцевой накаткой при турбулентном режиме течения теплоносителя хорошо изучены [6]. Сегодня данный способ интенсификации теплообмена один из самых используемых в технических приложениях. Однако для ламинарной области течений и переходных режимов для данного вида интенсификато-ров теплообмена имеется ограниченное количество данных, что не позволяет выбрать оптимальные размеры интенсификаторов для максимальной интенсификации теплоотдачи или достижения максимальной теплогидравлической эффективности теплообменных труб с данным видом интенсификато-ров теплоотдачи.

На рис.2 показаны данные по коэффициентам гидросопротивления и средним коэффициентам теплоотдачи в каналах с кольцевой накаткой.

3-

&

.. - * А * л I ** л ’*’'* А а *>* л -;ї . ^ •_ ^ г *

. » • -

- * „ . А ВЭ * " '» А ° / * о°^

- О с £ - І.

1ес 10-3 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 3 4 5 8 10

К0 1,9 2,7 3,3 3,8 4,4 7,0 10,3 15,5 27 33,3

1000 10000 Рис. 2 - Экспериментальные данные по гидросопротивлению и теплоотдачи в каналах с кольцевой накаткой. Обозначение в табл.1. Линии -расчет по

Данные для турбулентного режима сравнивались с данными [6], отмечено удовлетворительное согласование данных с отклонениями до 15%.

Из анализа рис.2 хорошо видно, что с увеличением относительной высоты выступов отмечается более ранний ламинарно-турбулентный переход. Данные по переходным числам Рейнольдса Яекр1 сравнены с данными Коха, приведенными в [6]. Получено удовлетворительное согласование по уровню переходных чисел Рейнольдса и характеру из изменения с данными [6].

Анализ данных по повышению коэффициентов теплоотдачи и гидросопротивления при различных режимах течения в трубах с кольцевой накаткой показывают, что с увеличением высоты выступов возрастает уровень повышения теплоотдачи, однако сопоставимо растет и уровень гидросопротивлений в подобных трубах. Увеличение шага между выступами чаще приводит к росту гидросопротивления, что отмечалось и в [6]. Интенсификация теплоотдачи в области турбулентных течений достигает больших значений, чем в области ламинарных течений, на что указывалось в [6]. При Яе=1000-4000 наблюдается резкое увеличение повышения уровней теплоотдачи и гидросопротивлений в дискретно-шерховатых трубах по сравнению с гладкими трубами. Это связано с тем, что в гладких трубах может еще наблюдаться ламинарное течение, а в дискретно-шероховатых при этих же числах Рейнольдса уже развивается турбулентное и переходное течение.

Полученные данные позволяют получить расчетные рекомендации по переходным числам Рейнольдса, коэффициентам теплоотдачи и гидросопротивления при ламинарном и переходном режимах течениях в дискретно-шероховатых трубах с кольцевой накаткой, а также обосновать выбор рациональных параметров интенсификаторов теплоотдачи для достижений максимальных значений тепловой или теплогидравлической эффективности.

Гидросопротивление и теплоотдача в каналах с трехмерной шероховатостью

В последнее время в литературе появляются утверждения, что использование трехмерной шероховатости может привести к более высокой теплогидравлической эффективности теплообменных каналов, по сравнению с двухмерной [4,5]. Поэтому в данной работе были проведены исследования теплогидравлической эффективности труб с системами сферических выемок и выступов на внутренней поверхности.

На рис.3 показаны данные по коэффициентам гидросопротивления и средним коэффициентам теплоотдачи в каналах с трехмерной шероховатостью в виде системы сферических выемок и выступов.

Также как и для двухмерной шероховатости, с ростом высоты выступов наблюдается более ранний ламинарно-турбулентный переход по сравнению с гладкой трубой. При увеличении высоты выступов значительно возрастает уровень гидросопротивления, чем при двухмерной шероховатости. Это связано с дополнительной диссипацией энергии на образование продольных вихрей за трехмерными выступами данной формы.

Полученные данные позволяют получить расчетные рекомендации по переходным числам Рейнольдса, коэффициентам теплоотдачи и гидросопротивления при ламинарном и переходном режимах течениях в дискретно-шероховатых трубах со сферическими выступами, а также обосновать выбор рациональных параметров интенсификаторов теплоотдачи для достижений максимальных значе-

ний тепловой или теплогидравлической эффективности.

1

ч

0,1

0,01

шоо ргеп юооо

100

а.

£

£

4- ю

о.

а

1

1000 Ре юооо 100000

Рис. 3 - Экспериментальные данные по гидросопротивлению и по средним коэффициентам теплоотдачи в каналах с трехмерной шероховатостью. Обозначение в табл.2. Линии - расчет по

Заключение

В работе представлены первичные результаты по исследованию гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с кольцевой накаткой и системами сферических выступов/выемок. Уделено особое внимание переходному режиму течения. Полученные данные позволяют обосновать оптимальные условия использования данных интенсификаторов и механизмы интенсификации теплообмена.

Работа подготовлена по результатам грантов РФФИ №09-08-00024-а, 10-08-00110-а, 11-08-00355-а, программы Минобразования РФ №2.1.2.5495 и ФЦП «Кадры» №14.740.11.0524, 14.740.11.0320.

Список обозначений

1 - диаметр канала по выступам, м; Б - диаметр канала, м; і - плотность расположения выступов/выемок; Ог - Число Грасгофа, к - глубина выемки или высота выступа, м; £ -коэффициент гидравлического сопротивления; Ь - длина канала, м; МыБ - число Нуссельта, рассчитанное по Б; п -коэффициент теплогидравлической эффективности, Рг -число Прандтля, КеБ - число Рейнольдса, рассчитанное по Б; Б2 - продольный и поперечный шаг выступов, і -

+ " °  . ' ч аО к* %

"""""""" »

к І и °0 Сой о й

температура, °С. Индексы: 0, гл - данные для гладкого

канала, e - эквивалентный, f - жидкость, w - стенка.

Литература

1. И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев, Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена: Интенсификация теплообмена. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 560 с.

2. Ю.Ф. Гортышов, И.А. Попов, В.В. Олимпиев, А.В. Щелчков, С.И. Каськов, Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 531 с.

3. А.И. Леонтьев, В.В. Олимпиев, Потенциал энергосбережения различных способов закрутки потока и дискретно шероховатых каналов. Известия РАН. Энергетика. 2010. №1. с.13-49.

4. Patent USA 4690211. Heat transfer tube for single phase flow. Date of Patent - Sep.1, 1987.

5. P.G. Vicente, A. Garcia, A. Viedma, Heat transfer and pressure drop for low Reynolds turbulent flow in helically dimpled tubes. Int. J.of Heat and Mass Transfer. 2002. V.45. P. 543 - 553.

6. Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо, Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 208 с.

7. М.А. Готовский, Некоторые особенности теплоотдачи и сопротивления потока высоковязкой жидкости в трубах с искусственной шероховатостью при переходных режимах течения. Труды Пятой Российской нацио-

нальной конференции по теплообмену. Т.6. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. с.54-57.

8. С.М. Надир, Л. Жаргалхуу, А.Ф. Рыжков, Теплогидравлическая эффективность промышленных турболизато-ров в переходных режимах течения теплоносителя. Промышленная энергетика. 2006. № 4. С.44-50.

9. A. Garcia, P.G. Vicente, A. Viedma, Experimental study of heat transfer enhancement with wire coil inserts in laminar-transition-turbulent regimes at different Prandtl numbers. Int. J. of Heat and Mass Transfer.2005. V.48. P.4640-4651.

10. P.G. Vicente, A. Garcia, A. Viedma, Mixed convection heat transfer and isothermal pressure drop in corrugated tubes for laminar and transition flow. Int. Comm. Heat Mass Transfer. 2004. V. 31. P.651-662.

11. P.G. Vicente, A. Garcia, A. Viedma, Experimental investigation on heat transfer and frictional characteristics ofspi-rally corrugated tubes in turbulent flow at different Prandtl numbers. Int. J. of Heat and Mass Transfer. 2004. V.47. P.671-681.

12. P.G. Vicente, A. Garcia, A. Viedma, Experimental study of mixed convection and pressure drop in helically dimpled tubes for laminar and transitional flow. Int. J. of Heat and Mass Transfer. 2002. V.45. 2002. P.5091-5105.

13. В.М. Молочников, А.А. Паерелий, О.А. Душина, А.К. Кирилин, Ламинарно-турбулентный переход в дискретно шероховатых каналах. Тепловые процессы в технике, 2011, №5. с.194-198.

14. С.В. Анаников, Теплообмен при движении жидкости в канале эллиптического поперечного сечения. // Вестник Казанского технологического университета, В 38, Т.15. №6. С.42-46

© И. А. Попов - д-р техн. наук, проф. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, popov-igor-alex@yandex.ru; А. В. Щелчков - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, lexa_kzn@mail.ru; М. З. Яркаев - асп. той же кафедры, marselyarkaev@gmail.com; Д. В. Рыжков - асс. той же кафедры; Р.А.Ульянова - асп. той же кафедры.