Influence of Geometry of Corrugated Surface on the Structure of Current and Intensity of Heat Transfer in a Pipe

Abstract

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского» ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ГОФРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА СТРУКТУРУ ТЕЧЕНИЯ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЕ Проведено численное моделирование тепловых и гидродинамических процессов в трубах с гофрированными вставками различных геометрических параметров. На основании двух веденных безразмерных параметров: длины волны k1=l/R и амплитуды гофрированной поверхности k3=2a/R выполнен анализ структуры вихревого течения в трубе и теплообмена на её поверхности. Показана взаимосвязь этих параметров с определяющим числом Рейнольдса Red и длиной начального участка трубы. Определено необходимое количество волн в зависимости от их длины для установления автомодельного режима течения. Найдено значение параметров k1, k3 в зависимости от числа Red, при которых значение перепада давления в гофрированной трубе минимально превышает значение перепада давления в гладкой трубе, а теплообмен максимален по сравнению с гладкой трубой. Полученные значения перепада давления в трубе с гофрированной вставкой не превышают значения в гладкой трубе более, чем на 4 %, что позволяет определять энергоэффективность труб с незагромождающим гофром только по значениям чисел Нуссельта. Ключевые слова: течение в трубе, интенсификация теплоотдачи, гидравлическое сопротивление, структура течения, завихренность потока, незагромождающий гофр. Вступление Гофрирование-один из наиболее распространенных методов структурирования теплообменных поверхностей, нашедший широкое применение при разработке новых и реконструкции уже существующих теплообменных аппаратов в энергетике и промышленности. Эффективность данного метода интенсификации теплообмена определяется прежде всего геометрией развитой поверхности. Правильный подбор геометрических параметров гофрирования позволяет не только увеличить коэффициент теплоотдачи, но и снизить сопутствующие гидравлические потери при соответствующем числе Рейнольдса. Анализу влияния геометрических параметров гофрированной поверхности в определенных диапазонах чисел Рейнольдса и Прандтля посвящено достаточно много робот [1-5]. Энергетическая эффективность структурированной поверхности, которая определяется отношением интенсивности теплообмена к гидравлическим потерям на ее осуществление, зависит и от режима течения, и от физических свойств теплоносителя, что и определяет индивидуальные свойства геометрии теплообменной поверхности. В зависимости от сочетания этих параметров теплоотдача может возрастать в несколько раз по сравнению с гладкой поверхностью при пропорциональном росте гидравлического сопротивления [3, 4]. Однако эффективной теплообменная поверхность становится только в случае, когда теплоотдача на ней возрастает существенно больше, чем ее гидравлическое сопротивление, что и определяет условие выбора геометрии теплообменной поверхности в заданном диапазоне чисел Рейнольдса. Общее гидравлическое сопротивление трубы можно варьировать с помощью частичного гофрирования поверхности, обеспечивающего накопление возмущений вниз по поток...