Улучшение теплопередачи

Улучшение теплопередачи - это процесс повышения эффективности теплообменников . Это может быть достигнуто, когда мощность теплопередачи данного устройства увеличивается или когда потери давления, создаваемые устройством, уменьшаются. Для этого можно применять различные методы, включая создание сильных вторичных потоков или усиление турбулентности пограничного слоя .

Принцип [ править ]

Два жидкостных противотока

В самых первых попытках улучшить теплопередачу использовались ровные (или гладкие) поверхности. Эта поверхность требует особой геометрии поверхности, способной обеспечить более высокие значения на единицу площади по сравнению с гладкой поверхностью. Отношение улучшенной поверхности теплопередачи к плоской поверхности называется коэффициентом улучшения " ". Таким образом, ${\ displaystyle {hA}}$ ${\ displaystyle {hA}}$ ${\ displaystyle E_ {h}}$

 ${\ displaystyle E_ {h} = {hA \ over (hA) _ {p}}}$

Скорость теплопередачи для двухжидкостного противоточного теплообменника определяется выражением

 ${Q=UA\Delta T_{m}}$

Чтобы лучше проиллюстрировать преимущества улучшения, общая длина L трубки умножается и делится в уравнении

 ${Q={UA \over L}L\Delta T_{m}}$

Где - общее тепловое сопротивление на единицу длины трубы. И это дается ${L \over UA}$

 ${L \over UA}={L \over \eta _{1}h_{1}A_{1}}+{Lt_{w} \over k_{w}A_{m}}+{L \over \eta _{2}h_{2}A_{2}}$

Индексы 1 и 2 описывают две разные жидкости. Эффективность поверхности представлена с использованием расширенных поверхностей. Один аспект, который следует принять во внимание, заключается в том, что последнее уравнение не включает никаких сопротивлений засорению из-за его простоты, что может быть важно. Чтобы повысить производительность теплообменника, этот срок должен быть увеличен. Для достижения уменьшенного теплового сопротивления, улучшенная геометрия поверхности может быть использована для увеличения один или оба термина по отношению к плоским поверхностям, что приводит к снижению теплового сопротивления на единицу длину трубки, . Этот сокращенный термин может использоваться для достижения одной из следующих трех целей: ${\eta }$ ${UA \over L}$ ${hA \over L}$ ${L \over UA}$

1. Уменьшение размера . поддерживая постоянную скорость теплообмена , длина теплообменника может быть уменьшена, обеспечивая теплообменник меньших размеров. ${Q}$

2. Увеличено ${UA}$ .

Уменьшение : поддержание постоянства и длины, может быть уменьшено, увеличивая термодинамическую эффективность процесса, что приводит к снижению эксплуатационных расходов. ${\Delta t_{m}}$ ${Q}$ ${\Delta t_{m}}$
Повышенный теплообмен: увеличение и поддержание постоянной длины приведет к увеличению при фиксированной температуре жидкости на входе. ${UA \over L}$ ${Q}$

3. Сниженная мощность насоса для фиксированного теплового режима . Для этого потребуются меньшие скорости работы, чем при работе с гладкой поверхностью, и обычно нежелательная увеличенная лобовая площадь.

В зависимости от целей проекта любое из трех различных улучшений производительности может быть использовано на улучшенной поверхности, и, используя любое из трех упомянутых улучшений производительности, это вполне возможно. ^[1]

Внутренний поток [ править ]

Проволочная вставка со спиральной пружиной

Скрученная лента Вставка трубки

Продольные ребра

Спиральные ребра

Есть несколько доступных вариантов усиления теплоотдачи. Улучшение может быть достигнуто за счет увеличения площади поверхности для конвекции или / и увеличения коэффициента конвекции. Например, шероховатость поверхности может использоваться для увеличения , чтобы усилить турбулентность. ${h}$ . Это может быть достигнуто путем механической обработки или других видов вставок, таких как проволока с цилиндрической пружиной. Вставка обеспечивает спиральную шероховатость при контакте с поверхностью. Коэффициент конвекции также может быть увеличен за счет вставки скрученной ленты, которая состоит из периодической закрутки на 360 градусов. Тангенциальные вставки оптимизируют скорость потока у стенки трубы, обеспечивая большую площадь теплопередачи. В то время как увеличенная площадь и коэффициент конвекции могут быть достигнуты за счет использования спиральных ребер или ребер. Другие аспекты, такие как падение давления, должны быть приняты во внимание, чтобы соответствовать ограничениям мощности вентилятора или насоса.

Спирально-спиральная труба [ править ]

Спирально-спиральная труба с вторичным потоком

Вставка цилиндрической пружины может улучшить теплопередачу без турбулентности или дополнительной площади поверхности теплообмена. Вторичный поток вызывает образование двух продольных вихрей. Это может привести (в отличие от правой трубки) к очень неоднородным локальным очагам по периферии трубки. Приводя к зависимости локальных коэффициентов теплопередачи в различных точках вдоль трубы ( ). Предполагая, что условия теплового потока постоянны, средняя температура жидкости может быть оценена следующим образом: ${h}$ ${x}$ ${T_{m}(x)}$

 ${T_{m}(x)=T_{m},_{i}+{q''_{s}P \over {\dot {m}}c_{p}}x}$  где = константа. ${q''_{s}}$

Максимальные температуры жидкости у стенки трубы присутствуют, когда жидкость нагревается, и поскольку коэффициент теплопередачи сильно зависит от угла ( ), расчет максимальной локальной температуры не является прямым. Для этой цели корреляции для периферийного среднего числа Нуссельта , если они вообще отсутствуют, мало полезны при поддержании постоянных условий теплового потока. С другой стороны, очень полезны корреляции для среднего по периферии числа Нуссельта для постоянной температуры стенки. ^[2] ${\phi }$

Вторичный поток:

Увеличивает скорость теплопередачи.
Увеличивает потери на трение.
Уменьшает длину входа.
Уменьшает разницу между ламинарной и турбулентной скоростями теплопередачи по сравнению с корпусом с прямой трубкой.

Шаг змеевика S незначительно влияет на падение давления и скорость теплопередачи. Для винтовой трубы критическое число Рейнольдса для возникновения турбулентности равно

 ${Re_{D,c,h}=Re_{D,c}[1+12(D/C)^{0.5}]}$

где дается в турбулентном и полностью развитом состоянии. ${Re_{D,c}}$ ${Re_{D,c}\approx 2300}$

Задержки при переходе от ламинарного к турбулентному состоянию сильно зависят от сильных вторичных потоков, связанных с сильно намотанными спирально свернутыми трубками. Коэффициент трения для полностью развитого ламинарного потока с : ${C/D\geq 3}$

 ${f={64 \over Re_{D}}}$  где . C - внешний диаметр спиральной катушки. ${Re_{D}(D/C)^{0.5}\leq 30}$

и

 ${f={27 \over Re_{D}^{0.725}}(D/C)^{0.1375}}$  за  ${30\leq Re_{D}(D/C)^{0.5}\leq 300}$

и

 ${f={7.2 \over Re_{D}^{0.5}}(D/C)^{0.25}}$  куда  ${300\leq Re_{D}(D/C)^{0.5}}$

В тех случаях, когда есть рекомендации, предоставленные Шахом и Джоши. ^[2] Коэффициент теплопередачи можно использовать в уравнении для закона охлаждения Ньютона. ${C/D\leq 3}$

 ${q''_{s}=h(T_{s}-T_{m})}$

и может быть оценена из корреляции,

${Nu_{D}=\left[\left(3.66+{4.343 \over a}\right)^{3}+1.158\left({Re_{D}(D/C)^{0.5} \over b}\right)^{3 \over 2}\right]^{1 \over 3}\left({\mu \over \mu _{s}}\right)^{0.14}}$

где и  ${a=\left(1+{927(C/D) \over Re_{D}^{2}Pr}\right)}$  ${b=1+{0.477 \over Pr}}$

Корреляции для коэффициента трения в турбулентном состоянии основаны на ограниченных данных. Повышенная теплопередача за счет вторичного потока незначительна в турбулентном состоянии и составляет менее 10% для ${C/D\geq 20}$ . Кроме того, увеличение, создаваемое использованием спирально свернутых трубок из-за вторичного потока, обычно используется только в ситуациях, когда поток находится в ламинарном состоянии. В этом состоянии входная длина на 20-50% короче по сравнению с прямой трубкой. В случае турбулентного потока поток становится полностью развитым в течение первого полуоборота спирально свернутой трубы. По этой причине во многих инженерных расчетах входной областью можно пренебречь. Если жидкость или газ нагревают в прямой трубке, жидкость, которая проходит около центральной линии, выйдет из трубки за гораздо более короткое время и всегда будет холоднее, чем жидкость, проходящая у стенки. ^[3]

Ссылки [ править ]

Перейти ↑ Webb, Kim, Ralph L., Nae-Hyun (23 июня 2005 г.). Принципы улучшенной теплоотдачи . CRC Press; 2 издание. ISBN 978-1591690146.
^ a b Шах, Р. К., и С. Д. Джоши, в Справочнике по однофазной конвективной теплопередаче, гл. 5, Wiley-Interscience, Хобокен, Нью-Джерси, 1987 г.
^ Incropera, Девитт, Бергман, Lavine, Франк П., Дэвид П., Теодор Л., Adrienne С. (2013). Принципы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья; 7-е издание, международное издание. ISBN 978-0470646151.CS1 maint: multiple names: authors list (link)

[1] Перейти ↑ Webb, Kim, Ralph L., Nae-Hyun (23 июня 2005 г.). Принципы улучшенной теплоотдачи . CRC Press; 2 издание. ISBN 978-1591690146.

[:1-2] Шах, Р. К., и С. Д. Джоши, в Справочнике по однофазной конвективной теплопередаче, гл. 5, Wiley-Interscience, Хобокен, Нью-Джерси, 1987 г.

[3] Incropera, Девитт, Бергман, Lavine, Франк П., Дэвид П., Теодор Л., Adrienne С. (2013). Принципы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья; 7-е издание, международное издание. ISBN 978-0470646151.CS1 maint: multiple names: authors list (link)

[1]