Анализ теоретических исследований интенсифицированного теплообмена в трубах

Аннотация

В работе на основе анализа математических моделей обоснованно недостатки и преимущества различных конструкций теплообменников с завихрителями и их влияние на гидродинамику и теплообмен закрученных потоков. Большинство теплообменников с завихрителями имеют сложную форму. Увеличение теплообмена при применении винтовых закручивателей потока происходит благодаря интенсификации теплообмена между ядром потока и пограничным слоем. Происходит это при турбулизации закрученного потока под действием центробежных сил. В таком случае эффективная скорость выше, чем при обычной турбулентности потока. Процесс протекает более интенсивно при низких числах Рейнольдса.
При ламинарных режимах течения определяющим механизмом переноса тепла является теплопроводность поперек потока, по нормали к стенке. В таком случае интенсивность теплоотдачи относительно мала. Для повышения теплопередачи надо использовать трубы с винтовой поверхностью теплообмена (однозаходной и многозаходной спиральной накаткой), в которых происходит ламинарное закрученное движение жидкости. В отличие от турбулентного течения, в ламинарном потоке термическое сопротивление в канале более равномерно распределено по всему его поперечному сечению, поэтому для интенсификации теплоотдачи необходимо воздействие, которое будоражит поток в пределах зоны пристенного течения.
Наиболее перспективными являются теплообменники из труб с однозаходные или многозаходных спиральной накаткой. В отличие от трубчатых теплообменников без накатки, они имеют большую площадь теплообмена и меньшую материалоемкость. При этом в отличие от ленточных вставок и закручувателей, трубы с накаткой имеют гидравлическое сопротивление пристенного слоя, которое уменьшается быстрее, чем растут потери давления.
Использование труб со спиральной накаткой в энергетических сваях с теплообменниками позволит снизить массогабаритные характеристики не только теплообменника, но и самой сваи. В таком случае интенсификация теплообмена определяется гидродинамикой потока в вязком пристеночном слое, то есть нарушением упорядоченности течения жидкости за счет его закручивания.
Проведенный анализ известных математических моделей интенсификаторов теплообмена позволяет сформировать требования к перспективным конструкциям теплообменников. В дальнейшем это позволит разработать новую математическую модель гидродинамики и теплообмена в забивной сваи с U-образным теплообменником в которой учтены все приведенные в работе недостатки. Опираясь на исследования гидродинамики и теплообменных процессов нужно провести оптимизацию конструкции теплообменника, а именно, геометрию поперечного сечения труб, форму укладки труб в теле сваи, а также глубину, угол и ширину углублений спиральной накатки.