Процессы и аппараты упаковочного производства

ТЕПЛООТДАЧА В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей в трубах И Каналах. Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.

При ламинарном движении теплоносителя, равномерном распределении скорости и температуры на начальном участке трубы у поверхности стенки образуются (рис. 11-12,а) пограничные слои толщиной Г (гидродинамический) и Т (тепловой). Толщина этих слоев по мере удаления от входа увеличивается, и на некотором расстоянии, называемом Длиной участка гидродинамической И Тепловой (1Т) стабилизации, Они смыкаются. При этом коэффициент теплоотдачи изменяется (рис. 11-12,6) от максимального значения на входе до практически неизменного после смыкания пограничных слоев. Явление резкого увеличения скорости переноса субстанции (в данном случае - теплоты) при входе потока в аппарат получило название «входной эффект». Очевидно, что для создания условий повышенных значений коэффициентов теплоотдачи целесообразно формировать теплообменники с длиной труб, незначительно превышающей LТ.

При турбулентном движении теплоносителя влияние входного участка существенно зависит от условий входа в трубу. Чем больше эти условия способствуют увеличе­нию возмущения потока (ввод теп­лоносителя в трубу под большим углом, острые кромки на торце трубы и т. п.), тем выше коэффициент теплоотдачи на участке стабилиза­ции. Однако для турбулентных потоков этот участок заметно короче, чем для ламинарных, так как при

Рис. 11-12. Формирование полей скоростей wи температур t (a) и изменение коэффициента теплоотдачи а(б) на начальном участке труб при ламинарном движении теплоносителя

Турбулентном режиме формирование пограничного слоя про исходит значительно быстрее. Поэтому при турбулентном режиме движения жидкости в трубах влияние входного эффекта наиболее существенно для коротких труб.

Для Установившегося турбулентного режима Движения тепле носителя (при Re = 104 -5-106) уравнение теплоотдачи имей, например, следующий вид:

Nu =0,021Re0,8Pr0,43(Pr/PrСТ)0,25 . (11.62)

В уравнении (11.62) все физические характеристики, входящие в критерии Re и Рг, подставляются при средних температурах теплоносителей, а в критерий Ргст-при температуре стенки. Отношение критериев Рг/Ргст отражает влияние на коэффициент и направления теплового потока: при нагревании Ргст < Рг, и Рг/Ргст > 1; при охлаждении Ргст > Рг, и Рг/Ргст < 1. При невысоких разностях температур между теплоносителями значением Рг/Ргст в уравнении (11.49) можно пренебречь. Для газов критерии Рг 1, и отношение Рг/Ргст также равно 1. Коэффициент =F(L/D)Учитывает влияние на коэффициент теплоотдачи входного эффекта. Приближенно = 1 + 2/(L/d). При L/D > 15 имеем = 1.

При движении теплоносителя в изогнутых трубах (змеевиках) полученное по уравнению (11.39) значение умножают на поправку, учитывающую дополнительную турбулизацию потока в местах изгиба труб:

(11.63)

Где d-внутренний диаметр трубы змеевика; D - диаметр витка змеевика.

Для Переходного режима Нет надежных уравнений расчеты коэффициента теплоотдачи. Приближенно для этого режима можно определить коэффициент теплоотдачи путем усреднения значений , рассчитанных по уравнениям для турбулентного и ламинарного режимов или по зависимости

Nu=0,008Re0,9Pr0,43. (11.64)

Для Ламинарного течения Теплоносителя при вязкостно-гравитационном режиме (GrPr>8-105), при котором заметно влияние взаимного направления вынужденного движения и свободной конвекции, расчет а можно производить по следующему уравнению:

Nu=0,15Gr0,1Re0,33Pr0,43(Pr/Prст)0,25 . (11.65)

Определяющим размером в уравнениях (11.62)-(11.65) является диаметр трубы или эквивалентный диаметр DЭ Сечения потока. Дли ламинарного потока при L/D > 50 = 1. Величина , обычно близки к единице и для приближенных расчетов может не учитываться.

В приведенных выше уравнениях не учитывается влияние на величину состояния теплообменной поверхности. Вместе с тем шероховатость при больших числах критерия Рейнольдса, когда высота выступов неровностей на поверхности теплообмена оказывается больше толщины ламинарного пограничного слоя, может значительно интенсифицировать турбулизацию потока и, как следствие, существенно увеличить коэффициент теплоотдачи при од­новременном возрастании гидравлического сопротивления. На этой основе создают искусственную шероховатость теплообменной поверхности (например, в виде насечки), что при соотношении шага между соседними выступами и их высотой, равном 12-14, приводит к росту коэффициента теплоотдачи в 2-2,5 раза. При ламинарном режиме коэффициент теплоотдачи практически не зависит от шероховатости.

Другой способ интенсификации, не приводящий к существен­ному повышению гидравлического сопротивления, заключается в следующем. Путем выдавливания снаружи трубы с помощью специального устройства на внутренней стенке трубы образуются небольшие по высоте (1-2 мм) выступы. Расстояние между выступами равно диаметру трубы или несколько меньше его. При турбулентном движении жидкости в потоке за зауженным участком трубы возникают вихри, которые существенно турбулизуют пограничный слой и тем самым резко снижают его термическое сопротивление. При этом коэффициент теплоотдачи увеличивается несколько раз. К конструктивным способам интенсификации процесса теплоотдачи можно отнести также использование различных вставок внутри труб, приводящих к завихрению потока, также установку перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников, с помощью которых увеличивают скорость движения жидкости и ее турбулизацию вследствие чередующегося изменения направления потока.

К эффективным технологическим методам интенсификации теп­лообмена относятся создание пульсаций потока жидкости, а также проведение процесса в тонких каналах, при течении жидкости в виде tonкой пленки и др.