ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Интенсификация наружного проточного охлаждения из "Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей Книга 2 Издание 4 " Обеспечение надежной теплозащиты стенки камеры при проточном наружном охлаждении в этих условиях требует соответствующей интенсификации теплообмена между стенкой и охлаждающим компонентом. Обычные методы интенсификации теплообмена в охлаждающем тракте — увеличение скорости течения охладителя и усиление оребрения охлаждаюшей стенки оказываются в ряде случаев уже недостаточными. [c.81] Дело в том, что хотя интенсификация теплообмена путем увеличения скорости широко распространена, однако этот способ ограничен в своих возможностях чрезмерным ростом гидравлического сопротивления охлаждающего тракта. То же можно сказать и об интенсификации теплообмена путем оребрения охлаждающей стенки. Даже при оптимальных соотношениях конструктивных параметров оребрения получить коэффициент эффективности ребра г р 2- -2,5 трудно. Кроме того, сильное оребрение также ведет к росту гидравлического сопротивления. [c.81] Поэтому в последние годы в теплообменной технике усиленно изучаются другие методы интенсификации теплообмена между стенкой и охладителем. [c.82] Можно сказать, что термическое сопротивление турбулентного пограничного слоя, выраженное величиной 1/а, определяется термическим сопротивлением ламинарного подслоя в нем происходит падение температуры АГ=1/(а ). С усилением турбулентности, например при увеличении скорости потока, ламинарный подслой становится тоньше, его термическое сопротивление уменьшается и теплообмен усиливается. Однако, как было сказано, чрезмерное увеличение скорости потока ограничено. [c.82] Поэтому, один из способов интенсификации теплообмена -организация искусственной турбулизации потока в охлаждающем тракте устройством в нем специальных турбулизаторов. Причем, поскольку в теплообмене участвует только пограничный слой, то турбулизация всего потока нерациональна, так как она наряду с усилением теплообмена в той же мере увеличит и гидравлическое сопротивление. Более рациональный способ интенсификации теплообмена— устройство искусственной шероховатости поверхности стенок канала, йри которой турбулизуется только пограничный слой. Искусственная шероховатость осуществляется образованием на поверхности стенки канала чередующихся невысоких выступов — бугорков, которые могут иметь различную форму (рис. 12.22). [c.82] Рассмотрим схематически картину течения потока вдоль шероховатой поверхности стенки. Как показывает опыт, при турбулентном пограничном слое, что характерно для потока в охлаждающем тракте камеры ЖРД, интенсификация теплообмена в большой степени определяется особенностями течения вблизи шероховатой поверхности. Эти особенности, оказывается, сильно зависят не столько от формы бугорков, сколько от относительного шага между ними — 8 к. [c.83] При малом относительном шаге шероховатости 81 к 2, в промежутке между бугорками (во впадине) образуется одновихревое движение (рис. 12.23, б). Как видно, набегающий на грань бугорка поток, критической линией тока кр делится на две части нижняя часть потока растекается в обратном направлении, образуя вихревое движение во впадине, а верхняя часть потока обтекает бугорок в направлении течения. [c.83] С увеличением относительного шага шероховатости течение постоянно изменяется—деформируется. При достаточно большем значении величины 5//г в области между соседними бугорками образуется сложное течение с двумя вихревыми зонами (рис. 12.23, а). [c.83] Причем, вихри располагаются вблизщ граней бугорков и затрагивают только часть течения. В другой части, лежащей в средней области между бугорками, находится область тур. булизированного потока, в которой вновь начинает формироваться разрушенный перед этим ламинарный подслой. [c.84] С изменением картины течения изменяется и интенсификация теплообмена. Как показывает опыт, с ростом величины 8/Н среднее значение коэффициента теплоотдачи на участке сначала растет и достигает максимального значения при (5//г)тах= 12 ч-14. При дальнейшем увеличении 5//г интенсивность теплообмена падает, стремясь к значению при гладкой поверхности стенок канала. [c.84] Такое поведение коэффициента теплоотдачи объясняется тем, что вначале воздействие бугорков на характер течения в области между ними усиливается и достигает максимума при относительном шаге 5//г = 12ч-14. Однако при дальнейшем увеличении значения 8/к влияние бугорков все больше локализуется в относительно небольшой области течения, не оказывая существенного воздействия на остальную большую часть потока. Наконец, постепенно наступает момент, когда вся поверхность обтекается практически невозмущенным потоком. [c.84] Опыт многих исследований показывает, что на интенсивность теплообмена форма бугорков шероховатости большего влияния не оказывает, хотя на гидравлическое сопротивление влияет существенно. [c.84] При увеличении высоты бугорков шероховатости больше толщины ламинарного подслоя (/г/5л 1) гидравлическое сопротивление повышается по сравнению с гладкой поверхностью, но усиливается одновременно и теплообмен. [c.85] Таким образом, при выборе высоты бугорков искусственной шероховатости, очевидно, рациональной высотой будет такая, при которой интенсивность теплообмена увеличивается существенно больше, чем возрастает гидравлическое сопротивление. Опыт и теория рекомендуют для оптимального решения назначать высоту бугорков примерно равной десятикратной толщине ламинарного подслоя /г 105л. [c.85] Опыт показывает, что при рационально выбранной шероховатости интенсивность теплообмена можно увеличить в 2—2,5 раза, а гидравлическое сопротивление при этом возрастет в 1,3— 1,5 раза. Естественно, что в каждом конкретном случае расчетные рекомендации должны быть проверены экспериментально, тем более, что при неудачной шероховатости интенсивность теплообмена может стать даже хуже, чем при гладкой поверхности. [c.85] Одним из эффективных способов интенсификации теплообменных процессов является использование в теплообменных трактах вставок из пористых металлов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее охладителем вследствие очень развитой поверхности их соприкосновения. [c.86] Таким образом, применение каналов с пористым заполнителем позволяет на несколько порядков интенсифицировать теплообмен. Так, при использовании жидкого охладителя в системе с пористым наполнителем интенсивность теплообмена возрастает в десятки раз, а с газообразным — в сотни раз. [c.86] Из формул видно, что чем хуже теплофизические свойства охладителя, тем интенсивнее теплообмен в системе, так как тередача теплоты в охладитель от теплоотдающей поверхности идет по пористому каркасу. [c.86] Приведенные способы интенсификации теплоотдачи связаны с ростом коэффициента теплоотдачи и коэффициента гидравлического сопротивления. Целесообразность метода интенсификации теплообмена будет определяться между отношениями /КПгл и коэффициентами сопротивления / л Для каналов с интенсификацией (Ни, ) и для гладких каналов (КПгл, гл)-Для различных интенсифицирующих устройств эти соотношения будут различны. Окончательный выбор метода должен проводиться на основе полного сравнительного расчета теплообменных устройств, их конструктивной проработки, требований эксплуатации и надежности. [c.86] Вернуться к основной статье