Методическое пособие 769

Рис. 9.12. Степень черноты водяного пара Н2О [8]

Контрольные вопросы

1.В чем отличие интегрального и спектрального излучений?

2.В чем отличие блестящей и матовой поверхностей?

3.Каковы критерии отнесения тела к абсолютно черному?

4.Каков физический смысл закона Планка?

5.При каких условиях закон С ефана-Больцмана может быть применен для серых тел?

6.Каковы границы применимости закона Ламберта?

7. Оцените, какова должна быть степень черноты топочных устройств нагрева металла для достижения наибольшей эффективности в условиях лучистого теплообмена?

8.Каковы способы определения температуры в условиях лучистого теплообмена? Какой из них является наиболее точным и почему?

9. Как влияют защитн е экраны на радиационны теплообмен?

10.Каковы особенности излучения в газовых средах?

11.Какие практические методы существ ют для расчета радиационного теплообмена при излучении газов?

12.Каков физ ческий смысл закона Бугера?

13. Каким образом мо жно определить степень ч рноты смеси излучающих га ов?

14.Какими параметрами определяется степень че ноты газов?

15.С чем связаны сложности формулировки гран ичных условий при расчете

объемного излучения, погло ения и рассеивания энергии?

14

10.ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Впрактически важных случаях стоит проблема миниатюризации современных энергетических установок, повышения теплосъема с одновременным снижением затрат на транспортировку теплоносителя. Возникает задача интенсификации теплообмена. В настоящей главе рассмотрены основные принципы интенсификации теплоотдачи при различных теплофизических процессах.

Тепловой поток в условиях теплопередачи запишется в виде известной формулы

В случае высокотеплопроводных стенок 0 модифицированный коэффициент теплопередачи может быть определен как

При интенсификации рассматривают пять ключевых направлений увеличения теплосъема:

1.Увеличение коэффициента теплоотдачи/ теплопередачи;

2.Увеличение площади поверхности теплообмена;

3.Увеличение перепада температур;

4.Снижение контактного термического сопротивления стенки;

5.Варьирование теплофизическими свойствами теплоносителя.

Интенсификация теплопередачи за счет изменения коэффициентов теплоотдачи является, пожалуй, самой распространенной на сегодняшний день. Для наглядности рассмотрим пример, когда плоская стенка омывается с разных сторон теплоносителями. Термическое сопротивление стенки бесконечно мало.

Пусть в первом случае 1 50 Вт м2К и 2 5000 Вт м2К , а во втором случае 1 50 Вт м2К и 2 10000Вт м2К . Больший коэффици-

ент теплоотдачи увеличивается в два раза, а меньший остается неизменным. Если рассчитать коэффициент теплопередачи, то в первом случае получим

k 49,5Вт м2К , а во втором - k 49,75Вт м2К . Очевидно, что с увеличением коэффициента теплоотдачи со стороны с большей теплоотдачей в 2 два

141

чение меньшего коэффициента теплоотдачи в 2 раза привело к увеличению коэффициента теплопередачи в 1,98 раза. В данном случае можно говорить об интенсификации теплообмена.

Можно сделать вывод, что при условии, когда 1 2, увеличение коэффициента теплопередачи возможно лишь за счет увеличения 1. Если 1 2, то увеличение коэффициента теплопередачи возможно с пропорциональным увеличением коэффициентов теплоотдачи 1 и 2.

Приведенные для расчета примеры имеют реальную основу. Например, обтекание стенки воздухом с одной стороны и вынужденная конвекция жидкости с другой стороны. В первом примере наиболее вероятно был в несколько раз увеличен расход жидкого теплоносителя, что не только привело к интенсификации теплообмена, но и увеличило энергетические затраты на его транспортировку и снизило в целом энергетическую эффективность процесса. Во втором примере, расход жидкого теплоносителя остался неизменен, но при этом вырос коэффициент теплоотдачи со стороны газа (возможно, был проведен переход от естественной конвекции воздуха к вынужденной за счет использования вентилятора). В данном случае можно говорить об условно эффективной интенсификации теплообмена.

Тем не менее в примере приблизить значение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха к коэффициенту теплоотдачи со стороны жидкости практически не представляется возможным. В данном случае есть два пути решения. В первом случае необходимо пересмотреть теплофизический процесс со стороны, где имеется меньший коэффициент теплоотдачи. Например, переход от обтекания воздухом обтеканием другой жидкостью или формирование фазового перехода. Если это технически невозможно (а зачастую случается именно так), то используют способ интенсификации теплообмена за счет увеличения площади поверхности стенки, например за счет оребрения. Интенсификация теплопередачи за счет оребрения заключается в том, что на термическое сопротивле-

ние потоков теплоносителя оказывает влияние не только значения 1 и 2, но и

геометрические характеристики поверхности теплообмена.

Так, например, для цилиндрических стенок, термические сопротивления потоков определяются значениями 1 1d1 и 1 2d2 , в которые входят величины

142

внутреннего и наружного диаметро в цилиндрической стенки. Для шаровых поверхнос ей термические сопротивления еще больше зависят от геометрии и со-

ских реш ений приведены на рис. 10.1 – 10.6.

14

Вы ше в терминах употреблялось выражение «условная» интенсификация, т.е. ком лекс технически решений при которых п оизойдет интенс фикация теплообмена. При этом, для конкретных технических реш ний, не бходимо оценивать реальную интенсификацию теплообмена. Она характеризуется условием

где Nu, – число Нуссельта и коэффициент гидравлического сопротивления для канала с развитой пов рхность ю; Nuгл, гл – число Нуссельта и коэф фициент

Рис. 10.7. Влияние геометрии канала и интенсификаторов на величину гидравлич ского сопротивлени :

1 – гладкая труба; 2 – труба с турбулизатором плавной формы; 3 – труба с турбулизатором прямоугольной формы

14

Наименьшим гидравлическим сопротивлением обладает гладкая труба, а наибольшим – труба с турбулизатором прямоугольной формы. Промежуточное положение занимает труба с турбулизатором плавной формы, поскольку ее геометрия позволяет уменьшить отрывные течения.

Бывает, что коэффициент теплоотдачи развитой поверхности превышает коэффициент теплоотдачи гладкого канала, но при этом прирост гидравлического сопротивления оказывается более существенным. В данном случае необходимо либо скорректировать техническое решение (например, изменить геометрию ребер), либо выбрать иной способ интенсификации теплообмена.

Ключевое техническое решение интенсификации теплообмена при конвективном однофазном теплопереносе – это воздействие на тонкий слой жидкости вблизи стенки путем разрушения пристенного слоя и изменения микрогеометрии поверхности (турбулизация потока). На практике это достигается применением турбулизаторов потока различной конфигурации, созданием на поверхности лунок (углублений сферической поверхности), что позволяет формировать смерчеобразные структуры при движении потока [10, 12]. Механизмы теплопереноса в окрестности сферических лунок изучаются довольно активно экспериментальными методами и методами численного моделирования [20].

При некотором сочетании геометрических условий и режимных параметров в ряде работ достигнуто существенное увеличение коэффициента теплоотдачи относительно гидравлического сопротивления (рис 10.8). Практические технические решения представлены в работах [10, 12, 22, 23].

Интенсификация теплообмена может быть достигнута за счет изменения перепада температур. Применение данного способа связано с существенным снижением температуры теплоносителя с «холодной» стороны в процессе теплообмена.

Рис. 10.8. Эффективность интенсификации теплообмена для полусферических лунок (1) и кольцевых выступов в круглом канале (2) [13]

145

Техническ м реше ием является применени термоэлектрических модулей на основе элементов Пельтье или холодиль ной (криогенной) техники

(рис. 10.9, 10.10).

дильных машин являются крайне неэффективными в энергетическом плане. К примеру, коэффициент полезного действия термоэлектрического модуля составляет около 2 4 %. Применение этих технических решений возмож но лишь там, где другие пособы повышения коэф ициента теплоотдачи оказываются просто невозможными.

Во-вторых, избыточный перепад температур на поверхности теплообмена может привести к появлению избыточных напряжений, деформации и разрушению конструкции. Эта ситуация зачастую встречается в металлургическом производстве при термической обработке металлов. В данном случае процессы нагрева/охлаждения делаю т много ежимными. Достаточно по дробно о механических процессах в ходе нагрева/охлаждения изложено в работе [6].

Достаточно серьезной задачей для интенсификации теп ообмена является

снижен е контактного термического сопротивле ия на поверхности тепло-

передач . Для понимания приведем два примера.

В первом случае в ходе рабо ы энергетического оборудования на поверхности теплообме на появляются так называемые термические загрязне ия. Если в трубе течет об чная вода, то со времене внутре няя поверхность начинает покрываться слоем солей, содержащихся в теплоносителе. П вышенная температура ускоряет этот процесс. Если снаружи эту трубу обтека т воздух, то здесь

а фактически приходится переходить к расчету многослойной стенки по известной формуле

Учитывая, что отложения солей имеют крайне низкую теплопроводность, а их толщина сопоставима с толщиной стенки трубы, происходит резкое сни-

жение коэффициента теплопередачи и в этом случае наращивание 1 и 2 не приведет к интенсификации. Воспользуемся данными рассмотренного ранее

ское загрязнение представляет собой котельную известковую накипь с толщи-

k 81,76 Вт м2К . Таким образом, количество передаваемой теплоты снизи-

лось более чем на 16%.

Во-втором случае изначально рассматривается теплообмен через многослойную стенку, состоящую из слоев высокотеплопроводных материалов. При этом механический контакт между слоями никогда не бывает идеальным, что связано с неоднородной структурой поверхности (наличие микро- и нановыступов и впадин). В результате в зоне контакта образуются впадины, заполненные воздухом или в случае пористых сред, жидким или газообразным теплоносителем. Передача теплоты между слоями будет осуществляться за счет теплопроводности. Только в некоторых местах будет прямой контакт «металлметалл», а в других в качестве контактной среды будет выступать жидкость или газ, имеющие коэффициент теплопроводности в разы меньше, чем материалы стенки.

Решением в первом случае является тщательный подбор теплоносителя, например химически очищенная вода, а также применение турбулизаторов потока с целью разрушения пограничного слоя, что в свою очередь приведет к снижению величины отложений. Во втором случае решением будет являться изменение технологии производства многослойных конструкций (шлифовка, полировка поверхностей в месте контакта, диффузионное спекание, напыление

147

покрытий) или заполнение мест контакта текучим относительно высокотеплопроводным материалов (термопасты и пр.).

Одним из перспективных способов интенсификации теплообмена является использование так называемых наножидкостей [24, 25]. Способ основан на повышении коэффциента теплопроводности теплоносителя за счет добавления высокотеплопроводных твердых частиц наноразмерного ряда.

Более ранние работы показали, что использование микрочастиц не ведет к интенсификации теплообмена, а скорее наоборот. При этом возникают такие негативные эффекты, как снижение турбулизации потока, абразивный износ поверхностей каналов, возникновение отложений на стенках и в застойных зонах, рост гидравлического сопротивления и пр. В связи с этим ранние исследования показали, что переход к частицам наноразмерного ряда устраняет указанные недостатки и позволяет успешно решить задачу интенсификации теплообмена. В табл. 10.1 представлены теплофизические свойства наиболее распространенных теплоносителей и твердых частиц наноразмерного ряда.

Лидером по показателю теплопроводности являются нанотрубки; их теплопроводность в несколько раз превышает теплопроводность металлов. Используемые в качестве наночастиц окись алюминия и окись меди существенно уступают по теплопроводности, однако более чем на порядок превышают коэффициент теплопроводности чистого теплоносителя. Очевидно, что применение таких добавок даже в небольшой концентрации позволит увеличить коэффициент теплопроводности исходного теплоносителя. Здесь и далее будут использованы обозначения, принятые в работах [24, 25].

Несмотря на растущее в геометрической прогрессии число работ в области наножидкостей, результаты могут носить противоречивый характер, а ряд

148

задач остаются нерешенными. Это связано с трудностями при разработке физических и математических моделей для описания гидродинамики и теплообмена в наножидкостях, сложностью постановки эксперимента и оценки достоверности результата. Серъезную проблему представляет процесс получения наножидкости и поддержание постоянных теплофизических свойств, поскольку с течением времени могут наблюдаться деструктивные процессы в ее структуре.

Воснове любой наножидкости лежит так называемая «базовая» жидкость

инаночастицы высокотеплопроводного материала. В качестве жидкости обычно используют воду, масло, антифризы, а в качестве наноматериалов – окислы металлов и одно-, двухили многостеночные трубки на основе углерода. Использование чистых меди и золота встречается довольно редко и связано с их высокой стоимостью.

Наножидкость при этом должна быть устойчива к возникновению агломераций, иметь равномерный физико-химический состав, устойчива к выпадению частиц в осадок, химически нейтральна.

На практике наиболее сложным представляется получение наножидкостей, устойчивых к агломерации. Высокая поверхностная активность наночастиц позволяет удерживать в объеме жидкости частицы более мелкого размера, но это, в свою очередь, ведет к росту агломерации частиц и нарушению равномерной структуры наножидкости. Как следствие, будет наблюдаться ухудшение теплофизических свойств. Поэтому одной из задач, стоящих перед исследователями, является разработка технологии получения наножидкостей, устойчивых по составу и структуре в течение длительного времени работы энергетического оборудования.

Вдальнейшем будем использовать общепринятые обозначения для наножидкостей на основе нанотрубок:

CNT – многостеночные наноуглеродные трубки; SWNT – одностенные углеродные нанотрубки; TCNT – двухстенные углеродные нанотрубки; MWNT – многостенные углеродные нанотрубки.

Данные, полученные различными исследователями, позволяют сделать вывод о наличии особенных свойств наножидкостей.

Например, для наножидкости, состоящей из этиленгликоля и меди было зафиксировано увеличение более чем на 40 % по сравнению с чистой жидкостью (рис. 10.11). Содержание меди при этом составляло доли процента объемной концентрации.

Здесь и далее будут показаны соотношения теплопроводностей наножидкости и чистой жидкости.

149