Аналіз теоретичних досліджень інтенсифікованого теплообміну в трубах

Abstract

В роботі на основі аналізу математичних моделей обґрунтовано недоліки і переваги різних конструкцій теплообмінників з завихрювачами та їх вплив на гідродинаміку і теплообмін закручених потоків. Більшість теплообмінників з завихрювачами мають складну форму. Збільшення теплообміну при застосуванні гвинтових закручувачів потоку відбувається завдяки інтенсифікації теплообміну між ядром потоку та приграничним шаром. Відбувається це при турбулізації закрученого потоку під впливом відцентрових сил. В такому разі ефективна швидкість вища ніж при звичайній турбулентності потоку. Процес протікає більш інтенсивно при низьких числах Рейнольдса. При ламінарних режимах течії визначальним механізмом перенесення тепла є теплопровідність поперек потоку, по нормалі до стінки. В такому випадку інтенсивність тепловіддачі відносно мала. Для підвищення теплопередачі треба використовувати труби з гвинтовою поверхнею теплообміну (однозахідною та багатозахідною спіральною накаткою), в яких відбувається ламінарний закручений рух рідини. На відміну від турбулентної течії, в ламінарному потоці термічний опір в каналі більш рівномірно розподілений по всьому його поперечному перетині, тому для інтенсифікації тепловіддачі необхідний вплив, що збурює потік в межах зони пристінної течії. Найбільш перспективними є теплообмінники з труб з однозахідною або багатозахідною спіральною накаткою. На відміну від трубчастих теплообмінників без накатки, вони мають більшу площу теплообміну та меншу матеріалоємність. При цьому на відміну від стрічкових вставок та закручувачів, труби з накаткою мають гідравлічний опір пристінного шару, який зменшується швидше, ніж зростають втрати тиску. Використання труб з спіральною накаткою в енергетичних палях з теплообмінниками дозволить знизити масо-габаритні характеристики не тільки теплообмінника, але й самої палі. В такому випадку інтенсифікація теплообміну визначається гідродинамікою потоку у в’язкому пристінному шарі, тобто порушенням упорядкованості течії рідини за рахунок його закручування. Проведений аналіз відомих математичних моделей інтенсифікаторів теплообміну дозволяє сформувати вимоги до перспективних конструкцій теплообмінників. В подальшому це дасть можливість розробити нову математичну модель гідродинаміки та теплообміну у забивній палі з Uподібним теплообмінником в якій враховані всі приведені в роботі недоліки. Спираючись на дослідження гідродинаміки і теплообмінних процесів потрібно провести оптимізацію конструкції теплообмінника, а саме, геометрію поперечного перетину труб, форму укладки труб в тілі палі, а також глибину, кут і ширину поглиблень спіральної накатки.

В работе на основе анализа математических моделей обоснованно недостатки и преимущества различных конструкций теплообменников с завихрителями и их влияние на гидродинамику и теплообмен закрученных потоков. Большинство теплообменников с завихрителями имеют сложную форму. Увеличение теплообмена при применении винтовых закручивателей потока происходит благодаря интенсификации теплообмена между ядром потока и пограничным слоем. Происходит это при турбулизации закрученного потока под действием центробежных сил. В таком случае эффективная скорость выше, чем при обычной турбулентности потока. Процесс протекает более интенсивно при низких числах Рейнольдса. При ламинарных режимах течения определяющим механизмом переноса тепла является теплопроводность поперек потока, по нормали к стенке. В таком случае интенсивность теплоотдачи относительно мала. Для повышения теплопередачи надо использовать трубы с винтовой поверхностью теплообмена (однозаходной и многозаходной спиральной накаткой), в которых происходит ламинарное закрученное движение жидкости. В отличие от турбулентного течения, в ламинарном потоке термическое сопротивление в канале более равномерно распределено по всему его поперечному сечению, поэтому для интенсификации теплоотдачи необходимо воздействие, которое будоражит поток в пределах зоны пристенного течения. Наиболее перспективными являются теплообменники из труб с однозаходные или многозаходных спиральной накаткой. В отличие от трубчатых теплообменников без накатки, они имеют большую площадь теплообмена и меньшую материалоемкость. При этом в отличие от ленточных вставок и закручувателей, трубы с накаткой имеют гидравлическое сопротивление пристенного слоя, которое уменьшается быстрее, чем растут потери давления. Использование труб со спиральной накаткой в энергетических сваях с теплообменниками позволит снизить массогабаритные характеристики не только теплообменника, но и самой сваи. В таком случае интенсификация теплообмена определяется гидродинамикой потока в вязком пристеночном слое, то есть нарушением упорядоченности течения жидкости за счет его закручивания. Проведенный анализ известных математических моделей интенсификаторов теплообмена позволяет сформировать требования к перспективным конструкциям теплообменников. В дальнейшем это позволит разработать новую математическую модель гидродинамики и теплообмена в забивной сваи с U-образным теплообменником в которой учтены все приведенные в работе недостатки. Опираясь на исследования гидродинамики и теплообменных процессов нужно провести оптимизацию конструкции теплообменника, а именно, геометрию поперечного сечения труб, форму укладки труб в теле сваи, а также глубину, угол и ширину углублений спиральной накатки.

In the process of work on the basis of the analysis of the mathematical models, the disadvantages and advantages of different constructions of heat exchangers with spirals and their influence on the hydrodynamics and on the heat exchange of the spiral flows, are grounded. Most of the spiral heat exchangers have a complex shape. When using the screw twists of the flow, the increase of the heat exchange occurs due to the intensification of the heat exchange between the core of the flow and the boundary layer. This occurs during the turbulence of the swirling flow under the influence of the centrifugal forces. In this case, the effective speed is higher than during a normal flow turbulence. The process is more intensive at low Reynolds numbers. At laminar flow regimes the determining mechanism of heat transfer is the thermal conductivity across the flow along the normal to the wall. In this case, the heat transfer intensity is relatively low. To increase heat transfer, it is necessary to use some pipes with a helical heat exchange surface (with a single-start and multistart spiral knurling), in which there is a laminar spiral motion of the liquid. In contrast to the turbulent flow, in a laminar flow the thermal resistance in the channel is more evenly distributed over its entire cross section, so for the intensification of the heat transfer, some influence disturbing the flow within the wall zone of the flow, is needed. The most promising are the heat exchangers made of pipes with a single-start or multistart spiral knurling. Unlike the tubular heat exchangers without any knurling, they have a larger heat exchange area and а lower material consumption. At the same time, in contrast to the tape inserts and twists, the pipes with knurling have a hydraulic resistance of the wall layer, which decreases faster than the pressure loss increases. The use of the pipes with a spiral knurling in energy piles with heat exchangers will reduce the weight and size characteristics not only of the heat exchanger, but also of the pile itself. In this case, the intensification of heat transfer is determined by the hydrodynamics of the flow in a viscous wall layer, i.e. the violation of the order of the liquid flow due to its twisting. The carried out analysis of the known mathematical models of heat exchange intensifiers allows to form the requirements for some perspective designs of heat exchangers. In the future this will make it possible to develop a new mathematical model of the hydrodynamics and heat transfer in a pile with an U-shaped heat exchanger, which takes into account all the disadvantages identified in the course of work. Based on the studies of the hydrodynamics and heat exchange processes, it is necessary to optimize the construction of the heat exchanger, namely the geometry of the cross section of the pipes, the shape of the pipe laying in the pile body, as well as the depth, angle and width of the spiral knurling deepening.