10046

30

Рис. 2.4. Трубы с поперечно-спиральным и поперечным разрезным наружным оребрением: а – № 1; б – № 2, 3; в – № 4, 6; г – трубы с поперечными круглыми ребрами, разрезанными вдоль оси трубы; д, е – трубы с облегченным оребрением.

Для интенсификации конвективного теплообмена ребра труб № 4-6 разрезаны по винтовой линии под углом φ = 45° с числом заходов, равным восьми. При этом получились короткие пластинки (лепестки), которые располагались в

31

шахматном порядке по образующей цилиндра. В результате эксперимента установлено, что разрезка ребер ведет к увеличению аэродинамического сопротивления и теплообмена примерно в 1,7 раза. Рост теплоотдачи объясняется разрушением лепестками разрезных ребер пограничного слоя в зонах с малой скоростью течения между ребрами. Разрезка ребер биметаллических ребристых труб № 3 также увеличила теплоотдачу, но только на 30 % при росте сопротивления на 35 %.

Во избежание нарушения теплового контакта разрезка ребер биметал-

лических труб должна производиться не на полную высоту ребра, а лишь на 2/3 или 3/4 ее. Применение пучков таких труб в воздухоподогревателях позволяет уменьшить их габариты и массу в 1,5... 1,75 раза. Примерно такие же результаты получили авторы работы [17], в которой, в отличие от [24], ребра разрезали только у вершины.

Таблица 2.1

Геометрические характеристики испытанных поверхностей теплообмена

Примечание: ψ – коэффициент оребрения.

В работе [24] разрезка ребер производилась в плоскости, проходящей через ось трубы, т. е. вдоль ее образующей (рис. 2.4, г). Когда ребра у биме-

таллической трубы были разрезаны на полную глубину, рост теплоотдачи со-

ставил всего 10 %, а аэродинамическое сопротивление увеличилось при этом на

60 %. Низкая степень интенсификации теплообмена объясняется нарушением теплового контакта между ребристой оболочкой и несущей внутренней трубой. При уменьшении глубины разрезки до 3/4 высоты ребра интенсивность теплообмена возрастала на 25...30 %.

Наряду с поверхностями труб с разрезными ребрами представляет ин-

терес поиск иных методов интенсификации теплообмена на ребристых трубах.

32

Так, в [1] предложено интенсифицировать теплоотдачу за счет применения во-

гнутых пластинчатых ребер, насаженных на трубы (рис. 2.5). В опытах по изу-

чению вихревого течения на вогнутых пластинах использован способ «вымы-

вания» слоя нафталина потоком воздуха. При этом для теплообмена получена зависимость

где R / L = 0,6...0,75.

Для сравнения теплогидравлических характеристик пучков труб с вогну-

тыми и плоскими ребрами исследованы двухрядные пучки с размерами:

R / L = 0,71; d0 = 22 мм; поперечный шаг S1 = 42мм, продольный S2 = 62мм, рас-

положение труб коридорное. В результате получены зависимости:

для пучков с вогнутыми ребрами

Рис. 2.5. Трубы с вогнутыми пластинчатыми ребрами.

Из полученных зависимостей следует, что при использовании труб с во-

гнутыми ребрами достигается двукратное увеличение теплоотдачи при практи-

33

чески таком же росте сопротивления. Это свидетельствует об эффективности предложенной поверхности.

В МЭИ получены опытные данные для группы поверхностей (рис. 2.6) по теплоотдаче, в том числе для решеток Г-образных профилей. Схема течения в каналах такой решетки приведена на рис. 2.6, ж. В исследовании реализован метод локального моделирования, часто используемый при изучении теплооб-

мена в пучках труб. Для решеток профилей были получены следующие зависи-

мости по теплоотдаче:

первого ряда

= 1000...20000. В качестве характерного поперечного размера в числах Рей-

нольдса и Нуссельта использована половина гидравлического диаметра ре-

шетки в свету dy= tφ – δ – l′2∙sin γ2. К этому же сечению отнесена определяющая скорость uу. Разброс опытных точек не более нескольких процентов.

Результаты исследования моделей плоских каналов с прямыми прерыви-

стыми, жалюзийными и Г-образными ребрами приведены на рис. 2.7.

Там же представлены основные геометрические характеристики каналов и их сравнение по энергетической эффективности. Обобщение большого коли-

чества данных по поверхностям с прямыми прерывистыми ребрами показало,

что в них реализуется эффект начального участка, т. е. рост коэффициента со-

противления опережает рост коэффициента теплоотдачи.

34

Рис. 2.6. Схемы движения в профилированных каналах и решетках профилей.

В каналах с Г-образными ребрами, наряду с эффектом начального уча-

стка, проявляется эффект отрыва потока, аналогично тому, как это происходит в профилированных каналах. Наилучшие показатели имеет Г-образный про-

филь ребра с отношением длин лобовой и кормовой частей 1:4. Полученные в этой работе результаты показывают, что при выборе типа оребрения для воз-

душных конденсаторов каналы с плоским прерывистым, жалюзийным и Г-образным профилем оребрения следует рассматривать как конкуренто-

способные (рис. 2.7).

35

Рис. 2.7. Теплоотдача и сопротивление в плоских каналах с прямыми прерывистыми (1), прямыми жалюзийными (2а, и 26) и Г-образными жалюзийными ребрами (3а, 36, 3в).

Интересными, с точки зрения облегчения конструкции аппаратов, яв-

ляются результаты исследования теплогидравлических характеристик ци-

линдрических труб с различной формой спирального оребрения, приведенные в

[19]. Применение поперечных ребер из высокотеплопроводных материалов позволяет при тех же габаритах теплообменных аппаратов резко увеличить

36

теплоотводящую поверхность за счет уменьшения шага и толщины ребер, но без изменения их высоты. При этом коэффициент оребрения достигает 20. Вме-

сте с тем, на поверхности ребер за кормовой частью поверхности трубы интен-

сивность теплообмена существенно ниже, чем на остальной части поверхности.

В то же время, доля сопротивления, приходящегося на эти участки поверхности более существенна. Поэтому кормовая часть ребер на некоторых трубах удале-

на (рис. 2.4, д, е). Испытания показали, что коэффициенты теплоотдачи у труб с облегченными ребрами на 9 % выше, чем с цельными. Снизилось и аэродина-

мическое сопротивление труб.

Впоследние годы много внимания уделяется исследованию теплообмена

исопротивления поверхностей, на которых имеются сферические или другой формы лунки [10]. Такой способ интенсификации теплообмена может найти применение в пучках труб с пластинчатым оребрением. Несмотря на ряд чрез-

мерно оптимистичных публикаций, опытные данные, полученные многими ис-

следователями, показывают, что достигаемый при использовании данного спо-

соба эффект примерно того же уровня, что и в каналах с дискретной шерохова-

тостью, в профилированных каналах.

2.2 Влияние технологии изготовления оребренных поверхностей

на расчет и интенсивность теплообмена

Развитие поверхностей нагрева за счет оребрения часто рассматривают как один из методов интенсификации теплообмена. В принципе это правильно,

если речь идет об увеличении удельной теплопередающей способности стенки,

разделяющей греющую и нагреваемую среды. Действительно, при увеличении поверхности стенки общее количество передаваемой через нее теплоты может существенно возрасти. Оребрение теплообменной поверхности целесообразно,

если коэффициент теплоотдачи одного из теплоносителей намного больше дру-

гого, т. е. α1 >> α2, или термическое сопротивление стенки намного меньше конвективных термических сопротивлений, т. е. δст / λст << 1 / α1 и δст / λст << 1 / α2.

37

В первом случае поверхность оребряют со стороны теплоносителя с худшими условиями теплообмена, во втором – с обеих сторон.

Однако увеличение поверхности за счет оребрения не всегда ведет к уве-

личению коэффициентов теплоотдачи. В ряде случаев теплообмен ухудшается,

на что выше было обращено внимание при анализе методов интенсификации теплообмена в трубах с поперечно-спиральными ребрами. В частности, у таких труб с неразрезными ребрами при коэффициентах оребрения 15...20 интенсив-

ность теплоотдачи по сравнению с гладкими трубами при поперечном обтека-

нии примерно в 1,3...1,5 раза ниже. Впервые на это было обращено внимание А.М. Бакластовым. Дополнительным фактором, снижающим эффективность ребристых поверхностей, является термическое сопротивление ребер, оценива-

емое с помощью эффективности или КПД ребра. Например, для круглых ребер КПД определяют по зависимости вида [19]:

где α – коэффициент теплоотдачи на поверхности ребра; λ, δ – коэффициент теплопроводности материала ребра и его толщина; D – наружный диаметр реб-

ра; d0 – наружный диаметр трубы.

Для прямых ребер D/d0 → 1, для прямоугольных и пластинчатых опре-

деляют диаметр эквивалентного ребра, площадь поверхности которого при-

нимают равной фактической величине поверхности ребра, приходящейся на одну трубу пучка. Если толщина ребра переменна (трапециевидные, тре-

угольные и т. п. ребра), то в зависимость для ηр вводят соответствующие по-

правки. В ряде случаев принимают во внимание изменение интенсивности теп-

лоотдачи по высоте ребра, качество контакта ребра и стенки [24]. С учетом термического сопротивления ребер интенсивность теплоотдачи на ребристой поверхности характеризуют так называемым приведенным коэффициентам теплоотдачи, который в простейшем случае (при идеальном контакте ребра и стенки, неизменном коэффициенте теплоотдачи на поверхности и т. д.) равен

где Fр и F – поверхность ребер и всей ребристой поверхности.

Формулы, в которых учтено влияние дополнительных факторов, см. в [24]. При выборе способа оребрения поверхности и метода интенсификации теплообмена немаловажную роль играют технологичность, т. е. возможность изготовления, и эксплуатационные характеристики аппарата.

На рис. 2.8, а показаны трубы с поперечно-спиральным оребрением, изго-

тавливаемым навивкой на трубу стальной или медной ленты шириной до 10 мм с последующей пайкой погружением в ванну с расплавленным цинком или дру-

гим припоем. Коэффициент оребрения таких труб ψ = 10. Они широко приме-

няют в воздухоохладителях холодильных камер, калориферах систем отопле-

ния, вентиляции и кондиционирования воздуха, сушильных установок. Их не-

достаток – большой расход дефицитного припоя.

В настоящее время в отечественной промышленности освоен выпуск мо-

но- и биметаллических труб с поперечно-спиральным оребрением (см. рис. 1.8,

б и в). Их изготавливают из стали, меди, латуни, алюминия. Высокая пластич-

ность алюминия позволила довести коэффициенты оребрения таких труб до

ψ = 20. В последние годы получили также распространение трубы с завальцо-

ванными в канавку (рис. 1.8, г) и L-образными (рис. 1.8, д, е) поперечно-

спиральными ребрами из алюминиевой ленты, навиваемой на трубы из стали,

алюминия и других материалов. У этих труб коэффициенты оребрения дости-

гают значений ψ = 22 при толщине ребра 0,3 мм [24, 37].

Биметаллические трубы со стальной внутренней трубой и ребристой алюминиевой рубашкой применяют, как правило, в тех случаях, когда жид-

кость, проходящая по трубам, находится под высоким давлением. Их недос-

таток – дополнительное контактное сопротивление. Как показали исследования,

выполненные в МЭИ, величина этого сопротивления определяется тер-

мическим сопротивлением микрозазоров между наружной стенкой несущей трубы и внутренней поверхностью ребристой оболочки, заполненных обычно

39

воздухом или остатками консистентной смазки, которая применяется при про-

катке.

Моно- и биметаллические трубы с накатным и навивным алюминиевым оребрением в основном идут на аппараты воздушного охлаждения [24, 37]. Из-

за различия температурного расширения стали и алюминия возможно наруше-

ние контакта между трубой и навитыми ребрами или ребристой оболочкой.

Трубы с L-образными ребрами рекомендуется использовать при температуре охлаждаемой воздухом среды не более 120 °C, биметаллические – до 280 °C, а с ребрами, завальцованными в канавку – до 330 °C. Однако попадание агрессив-

ных паров и жидкостей в зазор между поверхностью ребра и канавки вызывает интенсивную электрохимическую коррозию в зоне контакта и практически ис-

ключает возможность применения этого типа ребристых труб при омывании воздухом, загрязненным парами кислот, щелочей и т. п.

Для воздухоохладителей и конденсаторов холодильных установок, те-

плообменных аппаратов автономных кондиционеров, калориферов часто из-

готавливают трубы с насадными, круглыми, прямоугольными и общими для нескольких труб или для всего пучка пластинчатыми ребрами. Контакт между трубой и ребром в этом случае обычно обеспечивается за счет натяга, который создает в процессе посадки ребер на трубы или при протягивании через трубу шарика, диаметром большим, начального диаметра трубы (дорнование). Иногда этого достигают подачей жидкости в трубы под давлением (опрессовка). Для соединения таких ребер с трубой используют также методы пайки, сварки и электрохимического покрытия [24, 27]. В промышленных установках также по-

лучили распространение трубчатые электронагреватели (ТЭН), в том числе с оребренной наружной поверхностью. Наружный диаметр трубы – 13,4 мм, диа-

метр ребер – 33... 34 мм. Длина ТЭН от 40 до 280 см. Материал трубки и ребер

– сталь углеродистая и нержавеющая.