Тепловой и гидравлический расчет конвектора.

Все методы интенсификации как вынужденной, так и свободной конвекции, следуя Берглсу А.Е., делятся на пассивные и активные.

До сих пор считалось, что пассивные методы, за исключением широко распространенного способа, основанного на применении развитых поверхностей, мало что могут дать для интенсификации теплообмена при свободной конвекции. Хотя методы конструирования единичных и цепочек ребер уже давно хорошо известны, однако почти не уделялось внимания прерывистым развитым поверхностям.

Как показывают исследования последних лет, именно использование прерывистых развитых поверхностей выдвигаются на первый план среди пассивных методов интенсификации теплообмена при свободной конвекции. И связано это с тем, что повторное нарастание тепловых слоев на прерывистой поверхности нагрева увеличивает коэффициенты теплоотдачи существенно больше, чем требуется для компенсации площади, теряемой при такой организации поверхности.

4.1) Современные перспективные методы интенсификации теплообмена при свободной конвекции в аппаратах

Существенное увеличение теплоотдачи на вертикальном квадратном ребре конвектора и соответственно уменьшение поверхности его нагрева может быть уже достигнуто за счет правильного выбора межреберного расстояния и правильной организации движения воздуха в межреберном пространстве. Однако следует отметить, что такой способ интенсификации должен быть обоснован технико-экономическим расчетом и соображениями удобства монтажа и эксплуатации конвектора. Дело в том, уменьшение поверхности нагрева плоских ребер при их раздвижении приводит примерно к такому же увеличению длины несущей трубы. При этом возрастает общая площадь поверхности, занимаемой конвектором, усложняется монтаж.

1. Непрерывное оребрение.

П

Рис. 1. Расчетная схема для непрерывного оребрения

ри разработке математической модели процессов переноса в системе непрерывных вертикальных ребер предполагалось, что условия теплообмена в соседних ячейках идентичны. Анализ течения и теплообмена между соседними ребрами показывает, что можно выделить три участка поверхности с различными условиями течения: I – область формирования пограничного слоя (п.с.), II – область смыкания п.с., III – область развитого течения (рис. 1.).

Для расчета теплопереноса в области I использован интегральный метод расчета ламинарного п.с. с произвольным распределением температуры на поверхности:

, (1)

где x – текущая координата; T – произвольная температура поверхности; – температура внешнего теплоносителя; – локальный коэффициент теплоотдачи при T = Const.

В области II расчет проводился также, но вместо использовалась температура – температура жидкости в области смыкания п.с.

В области III:

, (2)

где – температура жидкости в области развитого течения.

С использованием выражений для в областях с различными условиями течения проведены численные расчеты уравнения переноса тепла в ребре:

, (3)

где – усредненное значение температуры по толщине ребра .

В

Рис. 2. Зависимость числа от для поверхностей с непрерывным оребрением

результате расчетов найдены локальные коэффициенты теплоотдачи, тепловые потоки, температурные распределения и эффективность ребер. Показано, что для заданных значений параметра существует определенный диапазон изменения чисел , обусловленный различием условий течения и теплообмена в межреберных каналах (заштрихованная область) на рис. 2.

2. Дискретное оребрение.

При разработке математической модели процессов переноса с прерывистым оребрением (рис. 3.) также предполагается идентичность гидродинамических и тепловых условий в соседних рядах ребер.

Р

Рис. 3. Расчетная схема для дискретного оребрения

асчет теплопереноса производится как в отдельных ребрах ряда, так и во внешнем свободно-конвективном потоке между ребрами.

Ввиду того, что на поверхности ребер имеется смешанно-конвективное течение, локальные коэффициенты теплоотдачи на их поверхности определяются по формуле:

. (4)

Плотность теплового потока, отводимого с поверхности ребра:

, (5)

где индексы «см», «с», «в» относятся соответственно к смешанному, свободно-конвективному и вынужденному течению; – температура жидкости во внешнем течении возле ребра.

Расчет такой же, как и в случае непрерывного ребра. Расчет для ламинарного п.с. в случае вынужденных течений подробно изложен в существующей литературе.

В результате расчетов получены локальные и интегральные характеристики. Найдено, что интенсификация теплообмена исследуемой системы повышается с уменьшением высоты L, ширины ребер и увеличением температурного напора .

Сравнительный анализ показывает, что дискретизация оребрения позволяет интенсифицировать процесс теплопереноса для чисел >2000 в 1,5–1,6 раза (рис. 4.).

В

Рис. 4. Зависимость от : 1 – опыт; 2 – расчет

работе [4] отмечается, что при значительных вертикальных размерах условия теплоотдачи дискретных ребер, расположенных у верхней кромки, значительно ухудшаются из-за прогрева теплоносителя и падения температурного напора на этих участках. Поэтому в работе предложены новые типы оребренных поверхностей с наклонным дискретным оребрением, специальное расположение которого позволяет устранить указанный недостаток. Наличие наклона дискретных ребер и применение длинных вертикальных ребер между ними (рис. 5б, 5в), либо специальное расположение рядов наклонных ребер (рис. 5г) обеспечивает подвод холодного теплоносителя ко всем ребрам независимо от их расположения по высоте оребренной системы. При этом нагретый теплоноситель отводится в каналы, расположенные между верхними кромками наклонных ребер для конфигурации, представленной на рис. 5г.

П

а) б) в) г)

Рис. 5. Схема поверхностей с наклонным дискретным оребрением

редложена математическая модель теплопереноса в оребренной системе, которая включает теплоперенос в отдельных ребрах и системы в целом. Теплообмен на поверхности каждого из дискретных ребер, включая и длинные вертикальные, как и в работе [3], имеет две составляющие: свободноконвективное течение и вынужденное течение, обусловленное так называемым эффектом тяги (эффект «трубы»), имеющим место в вертикальных каналах при свободной конвекции.