Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в аппаратах с турбулизаторами потока: теория, эксперимент, методы расчета

Н А У Ч Н А Я  
М Ы С Л Ь

СЕРИЯ 
О С Н О ВА Н А 
В 2008 
ГОДУ

Ю.В. СВЕТЛОВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ 
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ 
И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ 
В АППАРАТАХ

С ТУРБУЛИЗАТОРАМИ ПОТОКА

ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТ,

МЕТОДЫ РАСЧЕТА

МОНОГРАФИЯ

Э л е кт р о н н о

znanium .com

Москва
ИНФРА-М

2020

УДК [536.24+532.5+66.045.1](075.4) 
ББК 31.16 
С24

Р е ц е н з е н т ы :

Рудобашта С.П., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой теплотехники Московского государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина, заслуженный деятель 
науки и техники РФ

Светлов Ю.В.

С 24 
Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в аппаратах с турбулизаторами потока: теория, эксперимент, методы расчета : монография /  Ю.В. Светлов. — Москва : И н ФРА-М, 2020. — 
304 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-010607-6 (print)
ISBN 978-5-16-102625-0 (online)
Рассмотрены научные основы, методы исследования и расчетного анализа в целях создания высокоэффективных теплообменных аппаратов. 
Представлена физическая модель гидродинамической структуры потока 
в каналах с турбулизаторами сложной формы применительно к аппаратам и устройствам энерготехнологических установок как средство изучения закономерностей процессов гидродинамики и теплообмена. Получены 
обобщенные зависимости для расчета профилей скорости и сопротивления 
на основе использования новых величин. Изложена концепция существенной зависимости тепловой эффективности многоканального теплообменного аппарата от неравномерности распределения потоков по каналам аппарата.

Разработаны научные основы учета тепловых потерь от аппаратов 
и энерготехнологических установок. Предложен комплекс методов расчета 
теплообменников повышенной эффективности с учетом фактора неоднородности, а также расчет общей тепловой эффективности многосекционного теплообменного аппарата с учетом исследованных вторичных факторов.

Для научных, инженерно-технических работников, аспирантов и студентов вузов теплофизических и энерготехнологичеких специальностей 
различных отраслей промышленности.

УДК [536.24+532.5+66.045.1](075.4)

ББК 31.16

ISBN 978-5-16-010607-6 (print) 
ISBN 978-5-16-102625-0 (online)
© Светлов Ю.В., 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие .......................................
Основные условные обозначения 
Введение ................................................

. .5 

. .6 
.10

Глава 1. Ф ормирование гидродинамической структуры потока в условиях

воздействия турбулизаторов....................................................................................13
1.1. О сновные закономерности и ф изическая картина течения

однородного потока в каналах с турбулизаторам и...............................13

1.2. Течение однородного потока в межтрубном пространстве

теплообменника и факторы , влияющ ие на тепловую 
эф ф ективность а п п а р а т а .................................................................................31

1.3. Энергетический баланс потока ................................................................... 44

Глава 2. Теоретические основы течения турбулизованного потока в каналах

сложной ф о р м ы .............................................................................................................53
2.1. Условия формирования и характерны е особенности полей

давления в каналах с турбулизаторами ......................................................53

2.2. Ф изическая модель течения однородного потока в каналах

с пристенными турбулизаторам и.................................................................64

2.3. Ф актор турбулизации потока и ф орм ф актор канала ..........................72
2.4. Развитие проф иля скорости.

Константы турбулен тности.............................................................................88

Глава 3. Гидродинамика однородного потока в каналах с пристенными 
турбулизаторами. Ф ормфакторы насадочных поликанальных 
п о в ер х н о стей ............................................................................................................... 101
3.1. Единый гидродинамический закон сопротивления для труб

и каналов с турбулизаторами ......................................................................101

3.2. Гидравлическое сопротивление насыпной насадки с встроенной

теплообменной п о в ер х н о стью ........................... 
109

3.3. Гидродинамика насадки регулярного т и п а .............................................117

Глава 4. Результаты экспериментального исследования гидродинамики

в каналах при воздействии турбулизаторов....................................................127
4.1. Техника эксперимента ....................................................................................127
4.2. Кольцевые каналы с турбулизаторами прямоугольной формы  ..135
4.3. Каналы с турбулизаторами волнистой формы  ................................... 141
4.4. Кольцевые каналы с поперечны ми сварными швами ......................158
4.5. Каналы с продольно-волнистыми проставками .................................161
4.6. Гидравлическое сопротивление каналов натурных образцов

охлаждаемых электрических к а б е л е й ......................................................162

Глава 5. Теплообмен и гидродинамика в каналах дисковых насадок

регенераторов .............................................................................................................166
5.1. 
Обобщ ение результатов исследований по теп о о б м ен у ................ 166

3

5.2. 
Исследование гидродинамики перспективных типов насадок

в натурных у сл о в и ях ........................................................................................178

Глава 6. Экспериментальное исследование и метод расчета поликанальных 
высокоэффективных теплообменных аппаратов с учетом 
неоднородности скоростных и температурных полей ............................ 185
6.1. Экспериментальное изучение эф ф екта неравномерности

межканального распределения п о т о к а ...................................................185

6.2. Расчетно-теоретический анализ влияния эф фекта

неравномерности. Расчет температурного поля а п п а р а т а ............201

6.3. Метод расчета многоканального высокоэффективного 
теплообменника с неравномерным распределением потоков . . .212

6.4. Конструкция витого кожухотрубного теплообменника

с межканальным перемешиванием п о то к о в..........................................222

Глава 7. Тепловой режим труб кожухотрубных теплообменников и каналов

энергетических устройств при наличии продольного оребрения . . .224
7.1. Разность температур в ребрах прямоугольного и

трапецеидального сечений ..........................................................................227

7.2. Распределение температур по кольцу канала охлаждения ............233
7.3. Распределение тепловой нагрузки в локальной ячейке

ап п ар ата.................................................................................................................240

7.4. Тепловые процессы в тонколистовых материалах

при воздействии на них пучком интенсивного теплового 
излучения ............................................................................................................246

7.5. Влияние однородности температурного поля на процесс

спекания порош кового м атер и ал а............................................................252

Глава 8. Влияние тепловых потерь (теплопритоков) на тепловую

эф фективность теплообменного ап п ар ата..................................................... 256
8.1. Расчет конечных температур в противоточном

теплообменном аппарате с учетом тепловых п о т е р ь ....................... 256

8.2. Влияние естественной конвекции в изолированном

пространстве на уровень тепловых потерь ..........................................267

8.3. Метод определения тепловых потерь через

теплоизоляционную систем у........................................................................275

8.4. Расчет общей тепловой эф фективности многосекционного

теплообменного аппарата с противоточным движением 
теплоносителей и учетом вторичных ф ак то р о в .................................284

Список ли тературы ..................................................................................................................... 292

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблема интенсификации энерготехнологических процессов в настоящее 
время является по-прежнему актуальной, так как она тесно связана с проблемой 
энергосбережения и техногенного влияния производственной деятельности человеческого сообщества на окружающую среду. В связи с этим сохраняется необходимость повышения уровня технической грамотности наших инженерных кадров, и даже в ряде случаев изменения отнош ения специалистов к вопросам потребления энергии, к энергоресурсам в целом. В вузах с этой целью открываются 
новые специальности по энергосбережению  и экологии. Однако в связи с известными экономическими трудностями переходного периода в нашей стране, ощущается острая нехватка специальной литературы. Остаются невостребованными 
многие важнейш ие результаты исследований, полученные в период 1970—1990 гг. 
В связи с отсутствием полноценной аспирантуры по техническим специальностям стала невозможной передача накопленных знаний учеными старшего поколения. Появилась опасность полной утери накопленной информации, а следовательно — значительного отставания нашей страны во многих областях науки, техники и технологиях.

В этих условиях профессиональным долгом ученого является выпуск в свет в 
той или иной форме имеющихся у него результатов с тем, чтобы в дальнейшем — 
при возрождении отечественной науки, не пришлось бы все повторять заново. В 
предлагаемой книге излагаются результаты, основанные на экспериментальных 
исследованиях, проводимых автором с сотрудниками в период работы в НПО 
«Криогенмаш», когда коллективом института разрабатывались интереснейш ие 
проекты, создавались важнейш ие системы, установки, изделия на самом передовом научно-техническом уровне. Только благодаря мощной технической базе 
НП О  и энтузиазму сотрудников стало возможным изготовление, например, 
опытных крупногабаритных теплообменных аппаратов специальной конструкции для изучения эф фекта неоднородности температурных и скоростных полей 
в аппарате и других вопросов. Повторит!, такого рода исследование уже невозможно. Конечно, многие вопросы остались нереш енными, некоторые теоретические аспекты могут быть дискуссионными. Хотелось бы, чтобы полученные результаты получили дальнейшее развитие.

В настоящ ей работе автор стремился обобщить на основе собственных многолетних исследований результаты ш ирокого круга аналогичных работ по формированию структуры турбулентного течения потоков турбулизаторами разного рода с целью интенсификации гидродинамических и теплообменных процессов, а 
также показать, в определенной мере, новый подход к их анализу и методологии 
расчетов.

Автор выражает сердечную благодарность выдающимся российским ученым — 
А.А. Гухману и А.Н. Ш ерстюку за большое внимание, ценные замечания и обсуждение результатов в период разработки основных теоретических положений, изложенных в настоящей книге, а также своему сыну — 0.1 0 . Светлову, за помощь в 
подготовке к изданию этой книги. Можно сказать без преувеличения, что без его 
помощи эта книга просто не смогла бы увидеть свет.

Автор с благодарностью примет все замечания и пожелания, которые можно 
присылать по адресу издательства.

Автор

5

Развитие химической технологии так же, как и ряда других 
важнейших отраслей промышленности, в последние десятилетия характеризуется ростом энергонапряженности установок и 
систем. Поэтому все острее становится вопрос экономного использования топливно-энергетических ресурсов. В этой связи 
особую актуальность приобретает проблема интенсификации 
технологических процессов, имеющая своей конечной целью 
сокращение потребляемой энергии на единицу продукции, 
уменьшение массы и габаритных размеров тепломассообменных аппаратов и устройств на основе оптимизации протекающих в них рабочих процессов и их конструкций.

На современном этапе развития научно-технического прогресса уже недостаточно решать указанную задачу повышения 
энергонапряженности тепломассообменного оборудования 
лишь путем увеличения теплопередающей поверхности. Исследования показывают, что тепловая эффективность аппаратов 
может быть значительно повышена за счет факторов, которые 
существующие методики либо учитывают недостаточно полно, 
например, оптимизация геометрических параметров, либо 
практически совсем не учитывают (будем называть их вторичными факторами) — неоднородность скоростных и температурных полей по сечению аппаратов, возникающая в результате неравномерности распределения потока по каналам, существенная разница в тепловом режиме работы оребренных труб, образующих трубный пучок теплообменника, тепловые потери, переменность свойств теплоносителей и некоторые другие. Однако решение этой весьма сложной задачи возможно лишь на основе определенного физического подхода, т.е. рассматривая аппарат как множественную поликанальную систему с учетом всех 
характерных явлений, происходящих в ней, а также специфики 
гидродинамической картины течения потока в каждом канале, 
какой бы сложной формы он ни был.

Определенно можно сказать, что без оптимизации геометрии, без учета таких факторов, как неравномерность распределения потоков по каналам и тепловые потери, практически не
ВВЕДЕНИЕ

6

возможно создать теплообменные аппараты с температурными 
напорами 0,1—2 К и коэффициентом теплоиспользования 
0,96-0,98.

Несмотря на то что в настоящее время накоплен большой 
объем знаний в области теплообменных устройств [1], современный научно-технический уровень настоятельно диктует создание высокоэффективных аппаратов, установок и систем, необходимых для всех важнейших отраслей промышленности с 
целью создания или усовершенствования, в частности, крупных 
воздухоразделительных установок и спецсистем криогенной 
техники, высокопроизводительных турбохолодильных установок, теплоэнергетических систем и др. Например, в текстильной промышленности, которая является одной из наиболее материалоэнергоемких отраслей, сушильное оборудование на 
предприятиях занимает до 30% производственных площадей, 
потребляет до 40% всей расходуемой тепловой и до 30% электрической энергии. Имея габаритные размеры в десятки метров, 
общую площадь теплоотдающей поверхности от сотен до 1000— 
1500 м2, рабочую температуру процесса до 170—230 °С [2], потери теплоты лишь одним агрегатом составляет примерно 100 
кВт. Таким образом, 15—18% энергии теряется совершенно неоправданно, ухудшая при этом экологическую обстановку в производственном помещении. В качестве изоляционных ограждений обычно используют металлические щиты, заполненные 
стекловолокном или асбодревесными плитами.

Для резкого сокращения потерь теплоты необходимо использовать принципиально иную теплоизоляционную систему, например, на основе мелкодисперсного перлитного песка. Применение такой изоляции в воздухоразделительных установках позволило получить удельные теплопотери 40 Вт/м2, т.е. это в 2—3 
раза уменьшит потери теплоты в сушилках. Однако для проектирования такого рода систем необходимо знать закономерности 
теплопередачи в дисперсных средах, уметь оценивать и учитывать конвективные потоки в них, а также иметь методику расчета тепловых потерь, влиящих на общую энергетическую эффективность анализируемой установки или системы.

В последние годы большое внимание уделяется изучению теплообмена, структуры потока и основных гидродинамических за
7

кономерностеи при вынужденном движении газов и жидкостей с 
параметрами, близкими к критическим. Интерес к сверхкритической области обусловлен созданием ряда изделий как высокотемпературной, так и криогенной техники, например, ядерных 
реакторов, котельных установок, ракетных двигателей, сверхпроводящих систем, линий электропередачи и др. Использование рабочих веществ при параметрах, близких к критическим, 
приводит к необходимости учета специфических особенностей, 
в частности, переменности физических свойств [137, 138, 142, 
150]. При этом процессы теплообмена организуются в каналах с 
разнообразными геометрическими параметрами, а тепловые нагрузки могут изменяться по периметру и длине канала. Изучение 
теплообмена и гидродинамики ведется преимущественно экспериментальным путем. Теоретический анализ крайне сложен не 
только в связи с математическими трудностями, но прежде всего 
из-за неясности механизма переноса количества движения и теплоты в указанных условиях. Особенно остро стоит вопрос для начальных участков охлаждаемых кабелей, на которых наблюдается неустойчивая структура потока и происходит формирование 
стабилизированных полей температуры и скорости.

В настоящее время во многих публикациях указывается на недостаточное использование современных методов интенсификации тепломассообменных процессов в химико-технологическом оборудовании различного назначения, что приводит не 
только к экономическим потерям, но и тормозит совершенствование выпускаемых образцов новой техники. Ярким примером 
результативности интенсификации теплообмена в каналах является использование метода дискретной турбулизации потока 
при вынужденной конвекции, зафиксированного в качестве открытия [3], а также метода искусственно создаваемых в потоке 
неоднородных полей давления, разработанного российскими 
учеными А.А. Гухманом, В.А. Кирпиковым и их последователями 
[9, 37]. Исследования показали, что путем рационального выбора геометрии каналов возможно обеспечить преимущественное 
увеличение интенсивности теплообмена перед гидравлическим 
сопротивлением, что позволяет в 1,5—2 раза уменьшить объем и 
массу теплообменного аппарата при неизменных мощности и 
гидравлическом сопротивлении.

8

Очевидно, этот принцип справедлив для каналов самого различного вида с внутренними турбулизаторами, несмотря на многообразие их форм и размеров. Определенные успехи в 
проблеме интенсификации достигнуты, в том числе с использованием результатов, полученных автором [4—7]. Вместе с тем, 
поиск оптимальных соотношений геометрических характеристик, разработка новых форм каналов и создание на этой основе 
высокоэффективного оборудования, являются актуальными научными и хозяйственно-экономическими проблемами, решение 
которых приведет к экономии энергоресурсов в машиностроении, химической промышленности и других областях техники. 
По сути дела, речь идет о создании строго дозированных и направленных локальных вихревых эффектов в потоке, которые 
реализуются через особенности геометрии турбулизаторов, т.е. о 
создании необходимой структуры потока, управлении течением.

9

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А — коэффициент турбулентного перемешивания;

численный коэффициент 
к  — первая константа турбулентности 
Р — вторая константа турбулентности; коэффициент 
объемного расширения; угол рифления лент 
дисковой насадки

8 — толщина пограничного слоя; толщина ленты 
дисковой насадки 
5г — толщина слоя потока 
g — ускорение свободного падения 
р, р — плотность, коэффициент динамической 
вязкости

v — коэффициент кинематической вязкости 
\|/ — коэффициент турбулентной вязкости; 
функция тока жидкости

т, т0 — касательное напряжение в потоке, на стенке 
т — время
Д — диссипативная функция 
Фт — фактор турбулизации 
0S — формфактор

охх, ауу, ozz — растягивающие напряжения в направлении осей 
X, у, z

ayz, o xz, а — касательные напряжения в плоскости, перпендикулярной ОСЯМ X, у, Z

U, V, W — составляющие скорости по осям 
С70 — средняя скорость на оси потока 
м„, К ~~ характеристические величины: скорость, длина;

Mq, иср, и — линейные скорости по координате у. начальная, 
средняя, текущая

w, W — осредненные скорости: линейная, массовая 
Щф, ЭДф — линейная и массовая скорости фильтрации 
и', v, w, р' — пульсационные компоненты скорости по осям и 
давления

qn — результирующая пульсационных скоростей 
Р — давление; Рп, Рст, Рдин — полное, статическое,

10