10-3. ТЕПЛООБМЕН ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСКУССТВЕННОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ

Вопросы интенсификации теплообмена имеют важное значение для многих отраслей техники. Поэтому исследования в этом направлении представляют большой практический интерес.

Применение поверхности нагрева с искусственно созданной шерохова тостью является одним из возможных путей интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя. Виды искусственной шероховатости могут быть различными. Некоторые профили таких поверхностей показаны на рис. 10-3. Шероховатость вида а и б создается путем нанесения резьбы на поверхность трубы. Профили получаются за счет организации кольцевых выступов на гладкой трубе. Обычно высота выступов h невелика по сравнению с диаметром трубы d. Интенсификация теплоотдачи происходит в основном за счет воздействия шероховатости на гидродинамику турбулентного потока. Роль эффекта оребрения (вследствие увеличения фактической площади поверхности теплообмена) обычно относительно невелика.

Рис. 10-3. Профили поверхностей с искусственной шероховатостью. а — треугольная резьба; б — волнистая резьба; в — прямоугольные выступы; г — треугольные выступы.

Экспериментальному исследованию теплоотдачи на поверхностях с искусственной шероховатостью посвящен ряд работ, некоторые результаты которых приводятся ниже.

В исследовании, проведенном в МЭИ 129], подробно изучены различные виды шероховатости типа «резьбы», которая наносилась на внутреннюю поверхность круглой трубы диаметром d = 16,7 мм и . Опыты проводились с водой. На рис. 10-4 приведены опытные данные, относящиеся к резьбе треугольного профиля (рис. 10-3, а). Коэффициент теплоотдачи отнесен к поверхности гладкой трубы (без учета эффекта оребрения). Приведенные данные показывают, что такой вид искусственной шероховатости позволяет значительно увеличить теплоотдачу. В этом исследовании было показано также, что скругленная шероховатость (рис. 10-3, б) значительно менее эффективна; в ряде случаев она вообще не дает увеличения теплоотдачи в сравнении с гладкой поверхностью. Это указывает на то, что острая кромкавыступов имеет существенное значение для интенсификации теплоотдачи.

Другой вид искусственной шероховатости (рис. 10-3, в, г) подробно исследован в [16, 17, 33, 92, 101, 1131. При этом кольцевые выступы с различным относительным шагом создавались как на наружной поверхности трубы при течении потока воды, воздуха и трансформаторного масла в кольцевом канале, так и на внутренней поверхности круглой трубы. Такой вид искусственной шероховатости изучался также в плоском щелевом канале. Итоги этих исследований были обобщены в [16, 17]. Анализ показал, что для этого вида шероховатости параметром, имеющим решающее значение для интенсификации теплоотдачи, является отношение расстояния между выступами s к их высоте . Остальные характеристики, такие как форма выступа (прямоугольная или треугольная), отношение , имеют второстепенное значение. При этом высота выступов h должна превышать толщину вязкого подслоя. В [16, 17] показано, что причина интенсификации теплообмена связана со срывом и разрушением вязкого подслоя выступами шероховатости и возникновением вихревых зон. Оказывается, что для параметра существует оптимальное значение, при котором интенсификация теплоотдачи максимальна. В результате обобщения многочисленных опытных данных автор 116, 171 получил уравнение для теплоотдачи

    (10-16)

где множитель учитывает увеличение теплоотдачи вследствие искусственной шероховатости:

    (10-17)

Оптимальное значение относительного продольного шага: при любом значении в интервале от 0,7 до 80. График зависимости от для воды показан на рис. 10-5. Приведенное соотношение справедливо при в диапазоне чисел от 6-103 до 4-105, чисел от 0,7 до 80. В уравнении (10-16) коэффициент теплоотдачи отнесен к полной поверхности стенки; определяющий размер — эквивалентный диаметр канала.

При применении шероховатой поверхности наряду с теплообменом возрастает коэффициент гидравлического сопротивления . При этом обычно величина не зависит от скорости течения теплоносителя. Вследствие увеличения сопротивления при практическом применении искусственной шероховатости представляет интерес сравнение эффективности этого метода интенсификации теплообмена с методом повышения теплоотдачи в гладкой трубе только за счет увеличения скорости теплоносителя.

Применение искусственной шероховатости оправдано, если при одинаковом количестве переданной теплоты шероховатой поверхностью при скорости w и гладкой поверхностью при более высокой скорости , т. е. при условии

затрата мощности на перекачивание теплоносителя N будет меньше для шероховатой поверхности:

Решение этого вопроса может быть получено путем следующих расчетов.

Рис. 10-4. Теплоотдача в круглой трубе с искусственной шероховатостью в виде треугольной резьбы.

Рис. 10-5. Интенсификация теплоотдачи для воды при применении искусственной шероховатости в виде кольцевых выступов на поверхности трубы.

Количество теплоты, переданное в гладкой трубе, пропорционально скорости потока в степени 0,8, т. е.

Для шероховатой трубы имеем согласно уравнению Коэффициент пропорциональности А включает в себя все величины, которые не зависят от скорости (геометрические размеры трубы или канала, физические свойства теплоносителя, температурный напор). Его численное значение одинаково в обоих случаях. Учитывая это, находим из условия (а), что относительное увеличение скорости в гладкой трубе должно составлять:

Затраты мощности на перекачивание теплоносителя можно записать в следующем виде:

для шероховатой поверхности

для гладкой поверхности

для гладкой поверхности, причем в области действия закона Блазиуса . Коэффициент пропорциональности В в этих формулах также численно одинаков. Учитывая это, основное неравенство (б) нетрудно преобразовать с привлечением соотношения (в) к окончательному виду:

    (10-18)

где индекс w указывает, что сравнение коэффициентов сопротивления проводится при скорости потока w в шероховатой трубе.

Неравенство (10-18) определяет условие целесообразности применения шероховатой поверхности с точки зрения выигрыша в затратах мощности на перекачку. При обратном знаке неравенства в уравнении (10-18) использование искусственной шероховатости нецелесообразно.

Для рассматриваемой двухразмерной искусственной шероховатости типов в и г на рис. 10-3 оптимальное значение повышения теплоотдачи: , следовательно, . В опытах [17] при этом повышение коэффициента сопротивления . Отсюда видно, что по затратам мощности такой метод интенсификации теплообмена, безусловно, выгоден. Увеличение скорости теплоносителя в гладкой трубе, необходимое для передачи того же количества теплоты, здесь составляет согласно соотношению (в) .

При этом методе сравнения не учитывается то обстоятельство, что в случае увеличения скорости теплоносителя возрастает гидравлическое сопротивление во всей системе циркуляции теплоносителя, в то время как создание искусственной шероховатости обусловливает рост гидравлического сопротивления лишь в зоне поверхности теплообмена.