Учебное пособие 800409

талла, а наружная, служащая для создания ребер, из высокотеплопроводного металла (например, с использованием порошковой металлургии).

Трубы с продольным оребрением менее распространены. Достаточно часто применяются так называемые «плавниковые» трубы (рис.16, д). Для газоохладителей получили распространение трубки с расположенными по окружности рамками из проволоки (рис. 16, е).

Внутреннее оребрение применяется очень редко в связи со сложностью изготовления. Область применения таких труб – высокие давления теплоносителей.

Задачей теплового расчета оребренных поверхностей является определение связи передаваемого теплового потока с температурами теплоносителей и стенки, коэффициентами теплоотдачи, геометрическими размерами оребрения и теплопроводностью. Правильно спроектированное оребрение позволяет в несколько раз увеличить передаваемый тепловой поток (при фиксированной температуре стенки) или значительно понизить температуру стенки (при заданном тепловом потоке) по сравнению с гладкой трубой при одинаковых прочих условиях. Неверно рассчитанное оребрение может даже ухудшить теплообмен («парниковый эффект оребрения»). Следует заметить, что устройство оребрения к существенному изменению коэффициента теплоотдачи не приводит.

Для ориентировочных расчетов величину оребрения следует рассчитывать исходя из следующего соотношения:

где 1, 2 - коэффициенты теплоотдачи с каждой из сторон оребренной стенки, Вт/(м2∙К);

F,1 F2 - площади поверхности теплообмена с каждой из сторон. Суммарная площадь оребренной поверхности F складывается из соб-

ственно площади ребер FР и площади неоребренной поверхности стенки FСТ . Отношение FFСТ называют коэффициентом оребрения поверхности. С точки зрения теории теплообмена считается выгодным оребрять по-

верхности в случае выполнения условия [8]:

2 5, (55)

где - толщина ребра, м;- коэффициент теплопроводности материала ребра, Вт/(м·К).

51

На практике выгодность оребрения часто определяют и такие факторы как гидравлическое сопротивление, вес и габариты ТОА.

Коэффициент теплопередачи,k, Вт/(м2·К), при одностороннем оребрения чаще всего рассчитывается по упрощенной формуле:

где 2ПР - приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны оребренной поверхности, который учитывает термическое сопротивление теплопроводности, обусловленное формой, сечением, материалом ребра, термическое сопротивление конвективной теплоотдачи при омывании оребренной по-

верхности теплоносителем и эффективность теплоотдачи ребра, Вт/(м2∙К).

Приведенный коэффициент теплоотдачи это фиктивная величина, учитывающая стационарный теплообмен на поверхности ребра и нестационарные процессы распространения тепла по длине и сечению ребра. Определяется по следующей формуле [7]:

где 2 - средний конвективный коэффициент теплоотдачи со стороны оребренной поверхности, Вт/(м2∙К);Р - коэффициент полезного действия ребра (иногда называемый коэффициент эффективности ребра).

КПД ребра это отношение количества тепла, переданного оребренной поверхностью, к тому количеству тепла, которое могло бы передаваться в случае бесконечной теплопроводности того же ребра.

В реальных ТОА с течением времени нарушается контакт материала ребра и стенки. Снижение эффективности работы ребра учитывают путем умножения Р на поправочный коэффициент СК . Для оребрения, полученного методом навивки, обсадки СК 0,8 1, для литых, накатных, полученных методом фрезерования и проточки - СК 1.

Для продольных ребер прямоугольного сечения:

52

где h'P - эффективная высота ребра; для прямых ребер принимается равной его геометрической высоте.

Для продольных ребер других видов определение Р представлено в виде

С достаточной степенью точности можно использовать формулу (58) для определения КПД ребра при поперечном и спиральном оребрении. Для ребер других типов (квадратных, в виде многоугольников и пр.) высоту ребра принимают равной высоте эквивалентного по площади поверхности круглого ребра.

При определении критериев подобия в качестве определяющего размера чаще всего выбирается наружный диаметр трубы, несущей оребрение. В качестве определяющей скорости – скорость в самом узком сечении потока. Подробнее о выборе этих величин [7].

Определение среднего коэффициента теплоотдачи для пучков оребренных труб в основном производится на основании обработки экспериментальных данных и получении на их основе эмпирических зависимостей [8].

Ниже приводятся данные для определения теплоотдачи металлических труб с размерами ребер, близких к оптимальным.

Шахматный пакет поперечно обтекаемых плавниковых труб в случае охлаждения потока:

Для случая нагревания потока коэффициент в уравнении (59) равен 0,53. Формула применима при

Шахматные пучки труб с поперечными круглыми ребрами: - при ReП 102..2 104 и PrП 0,7..5000 :

53

- при ReП 2 104..2 105

Для расчета средней теплоотдачи коридорных пучков труб при

ReП 5 103..106, s1 1,8..4, s2 1,72..3, 5..12

используется следующая зависимость:

0,25

NuП 0,303 Re0,625П PrП0,36 0,2 PrП . (63)

PrC

Средняя теплоотдача шахматных пучков труб с проволочным оребрением рассчитывается по зависимости:

54

гдеl0 - шаг петли.

Формула (64) применима при следующих условиях:

В области чисел ReЖ 104..2 105 конвективный коэффициент теплоотдачи для шахматных пучков труб с непрерывным спиральным оребрением рассчитывается по формуле:

Для значения ReЖ 2 105..1,5 106 для той же конструкции оребрения используется формула:

В формулах (65),(66) определяющий размер – шаг ребер sР .

3.4.10. Теплообмен при изменении агрегатного состояния теплоносителя

3.4.10.1. Теплообмен при кипении

Переход теплоносителя из жидкого состояния в газообразное реализуется либо за счет охлаждения однофазного греющего теплоносителя в испарителях (бойлерах, кипятильниках), либо за счет конденсации парообразного теплоносителя (паропреобразователи).

По принципу кипения подобные ТОА можно разделить на две основные группы: в первой группе кипение осуществляется в условиях направленного движения жидкости, во второй – в условиях естественной конвекции на тепло-

55

отдающих поверхностях, погруженных в жидкость (кипение в большом объеме).

На рис. 17 представлена зависимость теплового потока через разделяющую поверхность и коэффициента теплоотдачи на поверхности нагрева от разности температур t между теплопередающей стенкой и кипящей жидкостью.

Участок 1-2 кривой теплового потока соответствует конвективному теплообмену в однофазной среде в условиях естественной конвекции. Участок 2-3

– переходная область от естественной конвекции к пузырьковому кипению, в которой паровую фазу генерируют отдельные центры парообразования.

Рис. 17. Зависимость коэффициента теплоотдачи и теплового потока q от перегрева жидкости t

Кипение начинается после того как температура поверхности нагрева становится выше температуры насыщения при данном давлении с момента начала развитого кипения. При малых значениях q и t наблюдается пузырьковый (пузырчатый) режим кипения. Коэффициент теплоотдачи и тепловой поток q при пузырьковом кипении растут с увеличением t, достигая максимального значения в точке 4. В этой точке наблюдается так называемый первый кризис кипения. Дальнейшее увеличение tсопровождается переходом пу-

56

зырькового кипения в пленочное - происходит слияние пузырьков, образующихся на поверхности нагрева, в подвижную паровую пленку, пар из которой выходит в виде больших пузырей. При этом с поверхностью нагрева контактирует уже не жидкость, а газ и, как следствие, резко снижается коэффициент теплоотдачи. Пленка пара, возникающая в момент кризиса, непрерывно пульсирует, она периодически выбрасывает паровую фазу в массу жидкости и частично разрушается. При прорыве жидкости к стенке не происходит интенсивного охлаждения поверхности, так как ее температура существенно выше температуры образования парового пузыря. В связи с этим пленка обладает высокой устойчивостью. При различных способах подвода тепла поверхность перегревается, что приводит к покраснению или даже пережогу. Поэтому в современных ТОА реализуют пузырьковый режим кипения.

При последующем наращивании t коэффициент теплоотдачи снижается до определенного минимального значения и в дальнейшем остается постоянным. После стабилизации тепловой поток опять начинает возрастать, начиная с точки 5. Но это происходит исключительно только как следствие увеличения t. Точка 5 называется второй кризис кипения. На участке 4-5 происходит переход от пузырькового кипения к пленочному.

При пузырьковом кипении в большом объеме в зависимости от условий и свойств жидкости существует большое количество расчетных зависимостей [7].

Для воды можно рекомендовать следующие зависимости: - при Re 10 2 104 :

- при Re 10 2 :

', " - соответственно плотности жидкости и пара при температуре насыщения;

TН - температура насыщения, К.

Все теплофизические величины в формулах (67), (68) берутся при температуре насыщения. Формулы справедливы при Pr 0,86 7,6, давлении p 3,92 14700Па и плотности теплового потока q qКР .

57

Критическая плотность теплового потока при кипении в большом объеме может быть подсчитана по формуле:

Обозначения в формуле (69) – аналогично (68).

При кипении воды в трубах и кольцевых каналах с достаточной степенью точности интенсивность теплообмена можно определить по следующим зависимостям:

- приK'W Pe'Н 13 K0,5C 3 104 :

- при10 3 K'W Pe'Н 13 K0,5C 3 104 :

aH - коэффициент температуропроводности, м2/с, pH - давление насыщения, Па,

g 9,81 м/с2.

58

Остальные обозначения – аналогично формуле (67). В качестве определяющей используется температура насыщения при давлении pH .

При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах в условия, когда она нагрета до температуры насыщения, определение коэффициента теплоотдачи рекомендуется вести по следующей методике [2]:

если К 0,5 то W ;

W

где К - коэффициент теплоотдачи при вынужденном течении однофазной жидкости в трубах, Вт/(м2∙К);

W - коэффициент теплоотдачи при кипении, определяемый по форму-

лам (67)-(71). Вт/(м2∙К).

3.4.10.2. Теплообмен при конденсации

Теплообмен при конденсации паров представляет собой процесс переноса тепла и массы одновременно с изменением фазового состояния – переходом из газообразного состояния в жидкое.

Необходимым условием конденсации пара является наличие поверхности с температурой ниже, чем температура насыщенного пара. В начальный момент соприкосновения пара с холодной поверхностью она покрывается мономолекулярным адсорбированным слоем, который в процессе конденсации либо растет и уплотняется, либо, по достижении определенной толщины, разрывается на большое количество капелек, число которых в дальнейшем растет.

Первый вид конденсации – капельная, второй - пленочная. Различие в характере взаимодействия поверхности с конденсатом обусловливается различным значением краевого угла. Если краевой угол меньше 900 – жидкость смачивает поверхность и конденсация пленочная. При значениях угла свыше указанной величины – жидкость не смачивает поверхность и конденсация капельная.

Дальнейшее движение, как пленки, так и капель происходит под действием либо только гравитационных сил (при конденсации неподвижного пара), ли-

59

бо совместного действия сил гравитации и сил трения со стороны движущегося пара. Пленочный режим сопровождается изменением толщины пленки, при капельной конденсации режим изменяется от капельного к струйному и далее к поточному, сплошь закрывающему поверхность.

При пленочной конденсации коэффициент теплоотдачи в 5-10 раз меньше, чем при капельной. Это обусловливается большим термическим сопротивлением пленки, отделяющей пар от стенки. В ТОА обычно происходит смешанная - капельная и пленочная конденсация. Для увеличения доли капельной конденсации поверхности покрывают специальными не смачивающимися покрытиями или добавляют в пар специальные вещества.

В качестве характерной величины, по которой судят о влиянии силы движения пара на пленку конденсата принято произведение w2П П , где wП - ско-

рость пара, П - его плотность в состоянии насыщения. При w2П П 1 пар полагают неподвижным.

Для точного определения коэффициентов теплоотдачи на вертикальных поверхностях необходимо определить режим течения пленки конденсата по значению критерия Григуля (приведенная длина):

где h - характерный размер (высота стенки или трубы, на поверхности которой происходит конденсация).

При Z 2300 течение пленки является ламинарным, при Z 2300 начинается переход к турбулентному режиму.

Для случая неподвижного пара и ламинарного течения пленки конденсата расчет коэффициента теплоотдачи, , Вт/(м2∙К), можно вести по формуле Нуссельта:

Определяющей температурой жидкости является температура насыщения, т.е. tЖ tН .

60