Интенсификация теплообмена в трубе переменного сечения при течении вязких жидкостей
Теплообмен в трубчатых теплообменных аппаратах применительно к вязким жидкостям относительно низок, что приводит к большому расходу дорогостоящих трубок из цветного металла. Интенсификация теплообмена в таких аппаратах является важной задачей.
В литературе были предложены трубы переменного сечения (типа конфузор-диффузор), которые показали в воздушном потоке высокую эффективность.
В данной статье подобные трубы исследовали при течении трансформаторного масла, имея в виду их применение для маслоохладителей. Геометрические размеры такой трубы, изготовленной из латуни, показаны на рис. 1. Исследование теплообмена и гидравлического сопротивления трубы проводили на стенде, изготовленном на Калужском турбинном заводе.
Он состоит из независимых масляного и водяного контуров, температуру в которых измеряли лабораторными ртутными термометрами, установленными после смесителей. Длина экспериментального участка составляла 2,4 м и выбиралась в целью получения достаточного температурного перепада по маслу при течении последнего внутри трубы. Температуру наружной поверхности трубы определяли термопарами, зачеканенными на поверхности трубы. Расходы теплоносителей измеряли как объемным способом, так и мерными шайбами.
Сначала для тарировки стенда исследовали гладкую трубу диаметром 19Х 1 мм. Уровень температуры наружной поверхности изменялся от 15 до 20 С для гладкой трубы и от 23 до 29 °С — для волнистой. Результаты исследования теплообмена и гидравлического сопротивления приведены на рис. 2, 3; для сравнения представлены рекомендованные в работах аппроксимирующие зависимости для гладкой трубы.
Полученные опытные данные теплообмена гладкой трубы соответствуют, как это следует из рис. 2, этим зависимостям. Опытные данные гидравлического сопротивления соответствуют рекомендации работы [4]. В экспериментах скорость масла в трубах определялась по характерному сечению и изменялась в пределах ам=0,154-0,65 м/с (Кеж=5604-2200); ОгжРгж=3,5Х X 10вч-8,510е. Коэффициент теплоотдачи отнесен к полной теплопередающей поверхности.
В качестве характерного размера волнистой трубы принят средний гидравлический диаметр, равный 15,4 мм. На рис. 2,3 представлены такие данные для исследованной волнистой трубы. Из графиков видно, что при значениях Кеж от 560 до 1100 увеличение теплоотдачи и сопротивления незначительно (25...30 %). В этом случае характер течения остается ламинарным. При Кеж>П00 имеет место вынужденный переход к турбулентному режиму течения — функция §=/ (Кеж) близка к автомодельному характеру изменения, а показатель степени у числа Кеж в формуле для числа изменяется от 0,33 до 1,55, что указывает на переходный режим течения и свидетельствует о значительной интенсификации теплообмена. Примечательно, что увеличение теплоотдачи происходит с ростом Кеж быстрее, чем рост коэффициента сопротивления. Так, при Кеж=2000 коэффициент теплоотдачи увеличивается в 2,5—3,1 раза, а коэффициент гидравлического сопротивления в 2,1—2,4 раза.
Таким образом, в трубе с изменяющимся поперечным сечением величина критического числа Рейнольдса Кекр изменяется с 2200 до 1100, что обеспечивает в исследованном диапазоне чисел Кеж опережающее повышение теплообмена по сравнению с коэффициентом гидравлического сопротивления. Известно, что переходная область чисел Кеж неустойчива, причем именно в этой области следует ожидать наибольшей интенсификации теплообмена.
Поскольку данные представлены в критериальном виде, они будут справедливы не только для трансформаторного масла, но и других вязких жидкостей. Сравнение эффективности исследованной трубы с различными трубчатыми поверхностями проводили по методике, изложенной в [5].
Объемная характеристика поверхности может быть получена перестройкой массовой характеристики, для чего необходимо величину ф/О А I умножить на отношение др^р, где др — масса поверхности теплообмена, отнесенная к несущей поверхности; 1?р — объем поверхности теплообмена, отнесенный к несущей поверхности. В литературе [6] экспериментальные данные течения дизельного масла в трубе с турбулизирующей лентой представлены в виде а—/ (ам); А Р=/ (^м)> поэтому данные [6] обрабатывали в критериальной форме, после чего был сделан пересчет для трансформаторного масла.
Анализируя опытные данные, представленные на рис. 2—4, можно сделать следующие выводы:
1. При Кеж=2000 трубчатая поверхность типа кон-фузор-диффузор увеличивает интенсивность теплообмена в 2,8 раза, а гидравлическое сопротивление — в 2,2 раза.
2. Теплосъем с единицы массы значительно превышает этот показатель для гладкой трубы. Так при (0,1 N А 1)= 1,8 эта величина в 3,8 раза больше, чем для гладкой трубы, и выше, чем у труб с турбулиза-торами другого типа.
Таким образом, применение рассмотренного метода интенсификации конвективного теплообмена при небольших числах Рейнольдса (Кеж=2000) позволяет получать высокие тепло-экономические показатели теплопередающих поверхностей. Очевидно, что оптимизация геометрии этих поверхностей позволит получить дополнительный выигрыш, в частности, снизить гидравлическое сопротивление. В среднем (при равных с гладкой трубой потерях на сопротивление) теплосъем увеличивается на 40...70 %, что позволит снизить расход труб на 40...70 %.