А.В. Щукин, Р.С.Агачев, А.П.Козлов,
г. Казань, Казанский ГТУ
Пристенная интенсификация теплообмена находит все более широкое применение в энергетических установках, а также в теплообменных аппаратах различного назначения. Характерной особенностью пристенной интенсификации теплообмена является то, что в этом случае перенос тепла интенсифицируется только в пристенной области, где имеет место максимальный поперечный градиент температуры. Теплообменные устройства с пристенной интенсификацией теплообмена обладают высокой энергетической эффективностью. Внедрение их в практику содействует решению проблем энергосбережения, в частности, путем снижения энергозатрат на обеспечение циркуляции теплоносителей в контурах теплообменников.
Эксперименты показывают, что реальные внешние воздействия (или факторы), которые имеют место в каналах теплообменных устройств, изменяют гидродинамику и теплообмен в области пристенных интенсификаторов теплообмена. В настоящей работе рассматриваются такие факторы как внешняя турбулентность, продольный градиент давления и продольная кривизна поверхности. В качестве пристенных интенсификаторов теплообмена рассмотрены сферические выемки и поперечные сегментные выступы. Такие интенсификаторы технологичны и имеют высокие термогидравлические характеристки. Они могут быть выполнены в виде элементов регулярной макрошероховатости, которые наносятся на теплообменные поверхности. Рассмотрены также результаты исследования по использованию сферических выемок одновременно в качестве пристенных интенсификаторов и пристенных стабилизаторов пламени для дожигания продуктов сгорания в выходных трактах топок и печей.
В качестве объектов исследования были использованы одиночные модели полусферических выемок и поперечных сегментных выступов, а также их системы. Системы выемок располагали с плотностью, близкой к максимальной, а поперечные выступы - с оптимальным шагом. Рабочее тело - воздух. Воздействующие факторы варьировались в следующих диапазонах: степень турбулентности внешнего потока Tu = 0,5...22% ; формпараметр в диффузорных потоках: f = 0...(-2)Ч 10-3 ; коэффициент ускорения в конфузорных потоках: K = (0...5,2)Ч 10-6 ; относительная продольная кривизна вогнутой поверхности (d / R)вогн= (0,4...2,2)Ч 10-3 ; относительная кривизна выпуклой поверхности (d / R)вып= (1,3...7,8)Ч 10-3.
Полученные результаты исследований представлены в виде относительных функций теплообмена или иного вида поправочных соотношений к базовым соотношениям, в качестве которых использованы канонические уравнения подобия для плоских каналов с турбулентным пограничным слоем.
Показано, что одни и те же воздействия внешних факторов приводят к неодинаковым эффектам на теплообменных поверхностях со сферическими выемками и поперечными выступами. Так, при обтекании системы сферических выемок диффузорным потоком теплоотдача в них понижается по сравнению с безградиентным их обтеканием. При наложении отрицательного градиента давления наблюдается обратный эффект. Оказалось, что эти результаты не могут быть распространены на теплообменные поверхности с поперечными выступами. При обтекании системы поперечных выступов ускоряющимся или замедляющимся потоком теплоотдача на участке между выступами в обоих случаях возрастает. Причем, внешний поток с отрицательным градиентом давления приводит к более интенсивному увеличению теплоотдачи по сравнению с потоком при положительном градиенте давления.
Получено, что влияние продольной кривизны поверхности на теплоотдачу в полусферической выемке более интенсивное, чем на исходно гладкой криволинейной поверхности. В то же время, при размещении на выпуклой поверхности поперечных плавно очерченных выступов турбулизирующее воздействие отрывных и присоединяющихся течений за выступом превалирует над воздействием центробежных массовых сил.
Анализируется влияние турбулизации внешнего потока на конвективный теплообмен в полусферической выемке и между поперечными плавно очерченными выступами.
В докладе приводятся также результаты опытных исследований процесса горения газообразного топлива в полусферической выемке. Были установлены режимы устойчивого горения топлива в выемке. На основе проведенных исследований авторами создана и успешно испытана полноразмерная секция компактного котла с экранными поверхностями нагрева в виде полусферических выемок.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты №99-02-18191, 00-15-96690), Минобразованием РФ (грант МАИ) и ФЦП "Интеграция (проект №А0012).