Улучшение теплопередачи - Heat transfer enhancement - Wikipedia

Улучшение теплопередачи это процесс повышения эффективности теплообменники. Этого можно добиться, если теплопередача мощность данного устройства увеличивается или когда потери давления, создаваемые устройством, уменьшаются. Для этого можно применять различные техники, в том числе создание сильных вторичные потоки или увеличение пограничный слой турбулентность.

Принцип

Два жидкостных противотока

В самых первых попытках улучшить теплопередачу использовались ровные (или гладкие) поверхности. Эта поверхность требует особой геометрии поверхности, способной обеспечить более высокую ${\displaystyle {hA}}$ значения на единицу площади по сравнению с ровной поверхностью. Соотношение ${\displaystyle {hA}}$ поверхности улучшенного теплообмена к ровной поверхности называется Коэффициент улучшения " ${\displaystyle E_{h}}$". Таким образом,

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

Скорость теплопередачи для двухжидкостного противоточного теплообменника определяется выражением

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

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

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

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

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

Индексы 1 и 2 описывают две разные жидкости. В эффективность поверхности представлен ${\displaystyle {\eta }}$ Использование протяженных поверхностей. Один аспект, который следует принять во внимание, заключается в том, что последнее уравнение не включает никаких сопротивлений загрязнению из-за его простоты, что может быть важно. Чтобы повысить производительность теплообменника, термин ${\displaystyle {UA \over L}}$ Для достижения пониженного термического сопротивления можно использовать улучшенную геометрию поверхности для увеличения одного или обоих членов ${\displaystyle {hA \over L}}$ по отношению к гладким поверхностям, что приводит к уменьшению термическое сопротивление на единицу длины трубы, ${\displaystyle {L \over UA}}$. Этот сокращенный термин может использоваться для достижения одной из следующих трех целей:

1. Уменьшение размера. поддержание скорости теплообмена ${\displaystyle {Q}}$ постоянным, длина теплообменника может быть уменьшена, обеспечивая теплообменник меньших размеров.

2. Повысился ${\displaystyle {UA}}$.

• Уменьшенный ${\displaystyle {\Delta t_{m}}}$: поддержание обоих ${\displaystyle {Q}}$ и константа длины, ${\displaystyle {\Delta t_{m}}}$ могут быть уменьшены, увеличивая термодинамическую эффективность процесса, что приводит к снижению эксплуатационных расходов.
• Повышенный теплообмен: Увеличение ${\displaystyle {UA \over L}}$ и сохранение постоянной длины приведет к увеличению ${\displaystyle {Q}}$ для фиксированной температуры жидкости на входе.

3. Пониженная 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 с помощью любого из трех упомянутых улучшений производительности это вполне возможно.^[1]

Внутренний поток

Вставка из проволочной спирали

Скрученная лента Вставка трубки

Продольные ребра

Спиральные ребра

Есть несколько доступных вариантов усиления теплоотдачи. Улучшение может быть достигнуто за счет увеличения площади поверхности для конвекция или / и увеличение коэффициента конвекции. Например, шероховатость поверхности можно использовать для увеличения ${\displaystyle {h}}$ чтобы усилить турбулентность. 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 можно также увеличить 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 применения 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

Спирально-спиральная труба с вторичным потоком

Вставка цилиндрической пружины может улучшить теплопередачу без турбулентности или дополнительной площади поверхности теплопередачи. Вторичный поток индуцирует жидкость, создающую два продольных вихря. Это может привести (в отличие от правой трубки) к сильно неоднородной локальной ${\displaystyle {h}}$ по периферии трубки. Приводя к зависимости локальных коэффициентов теплоотдачи в различных точках вдоль трубы (${\displaystyle {x}}$). Предполагая, что условия теплового потока постоянны, средняя температура жидкости ${\displaystyle {T_{m}(x)}}$ можно оценить следующим образом:

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

Максимальные температуры жидкости у стенки трубы присутствуют, когда жидкость нагревается, и поскольку коэффициент теплопередачи сильно зависит от угла (${\displaystyle {\phi }}$) вычислить максимальную местную температуру непросто. Для этого корреляции для периферически усредненных Нуссельт если их нет, то они мало пригодны при поддержании постоянных условий теплового потока. С другой стороны, очень полезны корреляции для среднего по периферии числа Нуссельта для постоянной температуры стенки.^[2]

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 имеет незначительное влияние на падение давления и скорость теплопередачи. Для винтовой трубы критическое число Рейнольдса для возникновения турбулентности равно

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

куда ${\displaystyle {Re_{D,c}}}$ дан кем-то ${\displaystyle {Re_{D,c}\approx 2300}}$ в турбулентном и полностью развитом состоянии.

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

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

и

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

и

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

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

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

и может быть оценена из корреляции,

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

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

Корреляции для коэффициента трения в турбулентном состоянии основаны на ограниченных данных. Повышенная теплопередача из-за вторичного потока незначительна в турбулентном состоянии и составляет менее 10% для ${\displaystyle {C/D\geq 20}}$. 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 течения поток полностью развивается 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 трубе, жидкость, которая проходит вблизи центральной линии, выйдет из трубы за гораздо более короткое время и всегда будет холоднее, чем жидкость, проходящая у стены.^[3]

Рекомендации

1. Уэбб, Ким, Ральф Л., Наэ Хён (23 июня 2005 г.). Принципы улучшенной теплопередачи. CRC Press; 2 издание. ISBN  978-1591690146.
2. Шах Р.К. и С.Д. Джоши, в Справочнике по однофазной конвективной теплопередаче, гл. 5, Wiley-Interscience, Хобокен, Нью-Джерси, 1987 г.
3. Инкропера, Девитт, Бергман, Лавин, Фрэнк П., Дэвид П., Теодор Л., Эдриенн С. (2013). Принципы тепломассообмена. Джон Уайли и сыновья; 7-е издание, международное издание. ISBN  978-0470646151.