CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI...

18
CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMIC Una dintre principalele cerinţe pentru aparatele cu transfer de căldură o constituie transmiterea fluxului termic impus printr-o suprafaţă de schimb de căldură cât mai mică. Considerând ecuaţia de bază a transferului de căldură, med S t S K Q , se observă că pentru acelaşi flux termic schimbat între cele două fluide din aparat, creşterea coeficientului global de schimb de căldură K S permite fie reducerea ariei suprafeţei de schimb de căldură S, deci diminuarea costului echipamentului, fie reducerea diferenţei medii de temperatură t med , deci diminuarea costurilor de exploatare (reducerea pierderilor exergetice). Intensificarea transferului termic se bazează în special pe mărirea coeficientului global de schimb de căldură. Tot în această categorie intră şi utilizarea suprafeţelor nervurate (extinse) care conduce la realizarea unor aparate mai compacte şi mai ieftine. Orice metodă de intensificare a transferului de căldură pentru a fi adoptată trebuie justificată tehnic şi economic prin considerarea investiţiilor, a costului energiei de vehiculare a fluidelor, a cheltuielilor de exploatare a aparatului, a comportării şi efectelor produse de aparat prin încadrarea sa în instalaţia din care face parte. De exemplu, modificarea geometriei suprafeţei de schimb de căldură prin utilizarea rugozităţilor artificiale este însoţită de creşterea coeficientului local de schimb de căldură şi în consecinţă a coeficientului global de schimb de căldură, însoţită de reducerea suprafeţei necesare de schimb de căldură şi deci a costului aparatului. În acelaşi timp însă apare şi o creştere a coeficientului pierderilor de presiune prin frecare, deci creşterea energiei de pompare şi a cheltuielilor de exploatare. Este obligatorie analiza simultană a celor doi factori şi determinarea pe baza unor calcule de optimizare a soluţiilor ce se justifică a fi aplicate atât din punct de vedere economic dar şi funcţional. Pentru evidenţierea principalelor căi de mărire a coeficientului global de schimb de căldură trebuie pornit de la ecuaţia de bază a transferului de căldură. În tabelul 5.1 [30] s-au prezentat câteva cazuri

Transcript of CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI...

Page 1: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI

TERMIC

Una dintre principalele cerinţe pentru aparatele cu transfer de căldură

o constituie transmiterea fluxului termic impus printr-o suprafaţă de schimb

de căldură cât mai mică. Considerând ecuaţia de bază a transferului de

căldură, medS tSKQ , se observă că pentru acelaşi flux termic schimbat

între cele două fluide din aparat, creşterea coeficientului global de schimb

de căldură KS permite fie reducerea ariei suprafeţei de schimb de căldură S,

deci diminuarea costului echipamentului, fie reducerea diferenţei medii de

temperatură tmed, deci diminuarea costurilor de exploatare (reducerea

pierderilor exergetice).

Intensificarea transferului termic se bazează în special pe mărirea

coeficientului global de schimb de căldură. Tot în această categorie intră şi

utilizarea suprafeţelor nervurate (extinse) care conduce la realizarea unor

aparate mai compacte şi mai ieftine.

Orice metodă de intensificare a transferului de căldură pentru a fi

adoptată trebuie justificată tehnic şi economic prin considerarea investiţiilor,

a costului energiei de vehiculare a fluidelor, a cheltuielilor de exploatare a

aparatului, a comportării şi efectelor produse de aparat prin încadrarea sa în

instalaţia din care face parte. De exemplu, modificarea geometriei suprafeţei

de schimb de căldură prin utilizarea rugozităţilor artificiale este însoţită de

creşterea coeficientului local de schimb de căldură şi în consecinţă a

coeficientului global de schimb de căldură, însoţită de reducerea suprafeţei

necesare de schimb de căldură şi deci a costului aparatului. În acelaşi timp

însă apare şi o creştere a coeficientului pierderilor de presiune prin frecare,

deci creşterea energiei de pompare şi a cheltuielilor de exploatare. Este

obligatorie analiza simultană a celor doi factori şi determinarea pe baza unor

calcule de optimizare a soluţiilor ce se justifică a fi aplicate atât din punct de

vedere economic dar şi funcţional.

Pentru evidenţierea principalelor căi de mărire a coeficientului

global de schimb de căldură trebuie pornit de la ecuaţia de bază a

transferului de căldură. În tabelul 5.1 [30] s-au prezentat câteva cazuri

Page 2: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 212

numerice extreme, care evidenţiază următoarele concluzii importante pentru

stabilirea strategiei de intensificare a transferului global de căldură: Tabelul 5.1

Efectul diferitelor rezistenţe termice asupra transferului global de

căldură

Cazul W/(m2.K) W/(m

2.K) mm W/(m

2.K)

kS

W/(m2.K)

%

1 50 5000 3 30 49.26 0.493

2 50 10000 3 30 49.5 0.495

3 100 5000 3 30 97.1 0.971

4 10000 5000 3 30 2500 25

5 10000 5000 3 300 322 3.25

Coeficientul global de transfer de căldură este mai mic

decât cel mai mic coeficient de convecţie;

În cazul unei diferenţe mari între cei doi coeficienţi de

convecţie (două ordine de mărime) coeficientul global de schimb de

căldură este determinat numai de cel mai mic coeficient de convecţie,

rezistenţa termică conductivă fiind neglijabilă. În acest caz trebuie să

intensificăm transferul de căldură pe partea agentului termic cu

coeficient de convecţie redus, sau să extindem suprafaţa de schimb de

căldură pe această parte;

În cazul în care cei doi coeficienţi de convecţie sunt

apropriaţi, rezistenţa termică conductivă poate avea o pondere

importantă, micşorarea sa prin reducerea grosimii peretelui şi utilizarea

unui material cu o conductivitate termică mai mare, putând mări

coeficientul global de transfer de căldură. În acest caz trebuie acţionat şi

pentru intensificarea convecţiei la ambii agenţi termici.

5.1 INTENSIFICAREA TRASNFERULUI TERMIC

CONVECTIV

5.1.1 Metode de intensificare

În prezent există mai multe mecanisme de intensificare a transferului

de căldură convectiv monofazic funcţie de tipul curgerii :

pentru curgerea laminară, se recomandă intensificarea transferului

de masă de la perete la centrul curgerii şi invers. Acest lucru se poate

Page 3: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 213

obţine prin utilizarea suprafeţelor ce prezintă schimbări de direcţie

(ţevi cu caneluri, plăci ondulate) şi a inserţiilor (Kenics, Heatex,

etc.);

pentru curgerea turbulentă, rezistenţa termică fiind concentrată în

stratul limită din vecinătatea suprafeţei peretelui, se recomandă

perturbarea acesteia prin obstacole de mică grosime, amplasate pe

perete (nervuri, ţevi cu rugozitate continuă, plăci ondulate),

generarea de curgeri secundare (caneluri, inserţii de benzi răsucite),

limitarea dezvoltării stratului limită prin utilizarea suprafeţelor

discontinue (de exemplu nervuri discontinue) sau prin reducerea

diametrului hidraulic.

In cazul fierberii principalele căi de intensificare ale transferului

căldură sunt legate de intensificarea procesului de nucleaţie şi de mărirea

turbulenţei în masa de fluid.

Pentru intensificarea transferului termic la condensare se realizează

pe două căi principale : micşorarea grosimii sau ruperea peliculei de

condensat şi trecerea de la condensarea peliculară la cea nucleică.

Principalele metode de intensificare a transferului de căldură

convectiv pot fi clasificate în şase categorii [5]:

modificarea naturii suprafeţei de schimb de căldură prin acoperiri

cu substanţe speciale;

modificarea stării suprafeţei de schimb de căldura (porozitatea şi

rugozitatea suprafeţei de schimb de căldură);

exinderea suprafeţelor de transfer de căldură prin utilizarea

nervurilor;

utilizarea generatorilor de turbulenţă ce crează o curgere elicoidală

a fluidului;

utilizarea generatorilor de turbulenţă ce favorizează amestecarea

fluidului în secţiunea transversală;

modificarea geometriei suprafeţei de schimb de căldură prin

ondulări sau caneluri pentru producerea unui efect capilar.

Tabelul 5.2 sintetizeză domeniile de aplicare a fiecăreia din cele şase

metode de intensificare prezentate.

Page 4: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 214

Tabelul 5.2

Domeniile de aplicare a metodelor de intensificare a transferului termic

Metoda de

intensifi-

care

Monofazic Vapori-

zare

Conden-

sare Figuri

laminar turbulent

0 1 2 3 4 5

Acoperiri - -

Acoperiri

poroase

Acoperiri

hidrofobe

Rugozitate

şi

porozitate

- -

suprafeţe

cu

structuri

poroase

integrale

plăci ondulate (în special

pentru lichide) plăci ondulate

- ţevi cu rugozitate continuă

ţevi cu

rugozitate

discontinuă

(rugozitţi de

înălţime mare)

ţevi cu rugozitate discontinuă

(rugozităţi de înălţime mică)

Suprafeţe

extinse

plăci cu nervuri (în special

pentru gaze) plăci cu nervuri

ţevi cu nervuri interioare (în special pentru lichide)

ţevi cu nervuri exterioare

(înălţimi mici pentru

lichide, mari pentru gaze)

ţevi cu nervuri

exterioare de înălţimi

mici

Page 5: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 215

0 1 2 3 4 5

Curgere

elicoidală

inserţii de benzi răsucite

inserţii în formă de stea

(cu 5, 6 sau 12 vârfuri)

ţevi cu nervuri elicoidale

Amestec

al

fluidului

în

secţiunea

transver-

sală

inserţii

Kenics

inserţii

Heatex

inserţii cu

discuri

inserţii cu

bile

(sfere)

inserţii

resort

(diametru

mare al

sârmei)

inserţii resort

(diametrul mic al

sârmei)

inserţii cu

benzi

răsucite

Suprafeţe

cu efect

capilar

ţevi cu caneluri

interne

ţevi cu

nervuri

pirami-

dale

ţevi cu

caneluri

exterioare

Page 6: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 216

5.1.2 Nervurile

Utilizarea nervurilor pentru intensificarea transferului de căldură este

frecvent întâlnită în cazul transferului de căldură gaz-lichid sau gaz-gaz,

acolo unde coeficientul de schimb de căldură local dintre perete şi gazul

aflat în general în circulaţie forţată este foarte mic .

Pentru suprafeţele plane, în practică sunt întâlnite diferite

geometrii de nervuri [5] :

nervuri netede, care formeaza secţiuni de curgere de formă

rectangulară (fig.1.1a) sau triunghiulară (fig.5.1b), pentru care

corelaţiile de transfer de căldură sunt cele clasice pentru canale

netede;

nervuri ondulate (fig.5.1c), care impun un canal de curgere ondulat

şi permit ameliorări considerabile ale coeficientului de transfer de

căldură;

nervuri perforate (fig.5.1d), ce permit o uşoară ameliorare a

transferului de căldură pentru numere Reynolds mai mari ca 2000;

nervuri discontinue (fig.5.1e), cu lungimea l cuprinsă în general între

3 şi 6 mm, pentru care există formule generale de calcul al

coeficientului de transfer de căldură şi a coeficientului de frecare

pentru gaze, funcţie de numărul Stanton şi factorul lui Colburnj [23]

nervuri cu fante (fig.5.1f), care conduc la performanţe comparabile

cu cele ale nervurilor discontinue. Formulele generale pentru

calculul coeficientului de transfer de căldură şi a coeficientului de

frecare la gaze pentru aceste nervuri sunt de asemenea exprimate

funcţie de numărul lui Stanton şi factorul lui Colburn j [15].

a) b)

Page 7: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 217

c) d)

e) f)

Legendă:

b grosimea nervurii; h înălţimea nervurii; l lungimea nervurii; hp înălţimea fantei; s pasul

dintre nervuri; lp lungimea fantei; t grosimea nervurii ; sp pasul între fante

Fig. 5.1 Plăci cu nervuri

(a) nervuri netede cu secţiunea de curgere rectangulară; b) nervuri netede cu

secţiunea de curgere triunghiulară; c) nervuri ondulate; d) nervuri perforate; e)

nervuri discontinue; f) nervuri cu fante.

În cazul suprafeţelor cilindrice (ţevi) cele mai utilizate geometrii de

ţevi cu nervuri exterioare sunt :

ţevi cu nervuri exterioare circulare netede (fig.5.2a), obţinute fie prin

extrudare, fie prin fixare directă pe ţeavă. Corelaţiile pentru calculul

coeficientului de transfer de căldură şi a factorului de frecare sunt

Page 8: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 218

diferite pentru nervurile înalte (înălţimi mai mari ca 10 mm) [36] şi

pentru nervuri joase (înălţimi mai mici ca 2 mm) [35];

ţevi cu nervuri exterioare ameliorate: nervuri perforate (fig.5.2b şi c),

nervuri constituite dintr-un fir metalic (fig.1.2d) şi nervuri aciculare

(fig.1.2e);

ţevi cu nervuri exterioare plane continue netede (fig.5.3a), ondulate

(fig.5.3b) sau cu fante (fig.5.3c). Aceste geometrii sunt cel mai des

întâlnite la bateriile de climatizare. În cazul nervurilor ondulate sau

cu fante se pot înregistra creşteri ale coeficientului local de transfer

de căldură de 30 % şi respectiv de 50-100 %, comparativ cu

nervurile netede.

Fig. 5.2 Ţevi cu nervuri exterioare circulare

(a) nervuri netede; b) şi c) nervuri perforate; d) nervuri cu fir metalic; e) nervuri

aciculare

Page 9: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 219

Legendă:

De diametrul exterior al ţevii; SL pasul longitudinal între ţevi; ST pasul transversal între ţevi;

s pasul între nervuri

Fig. 5.3 Ţevi cu nervuri exterioare plane continue

(a) nervuri netede; b) nervuri ondulate; c) nervuri cu fante

Nervurarea suprafeţelor de transfer de căldură în cazul lichidelor se

poate face atât la interiorul cât şi la exteriorul ţevilor. Deoarece coeficientul

de transfer de căldură al unui lichid este superior celui corespunzător unui

gaz, nervurile sunt în general mai puţin înalte, pentru creşterea

randamentului lor. Creşteri de suprafaţă prin nervurare de 1,5-3 ori faţă de

suprafaţa netedă sunt frecvent întâlnite la lichide, în timp ce pentru gaze

aceste valori depăşesc curent valoare de 20. În cazul nervurilor exterioare

acestea pot fi circulare netede (fig.4.1a) sau plane netede (fig.4.2a) [7],

obţinute prin extrudare. Nervurarea ţevilor în cazul lichidelor se poate aplica

atât în regimul de curgere laminar cât şi turbulent.

Nervurile interioare, mai rar utilizate, pot fi drepte şi paralele cu

direcţia curgerii sau pot prezenta o formă elicoidală (tab. 1.1).

Un aspect important în realizarea ţevilor sau plăcilor nervurate îl

constituie modul de fixare a nervurilor pe suprafaţa de bază, rezistenţa de

contact ce apare în acest caz jucând un rol foarte important. Se pot obţine

rezistenţe de contact neglijabile în cazul extrudării nervurilor la ţevile din

Page 10: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 220

cupru sau aluminiu şi la sudare sau lipirea nervurilor pe suprafaţa primară.

Din contră, în cazul nervurilor fixate prin sertizarea sau expansiunea ţevii,

rezistenţele de contact nu mai sunt neglijabile.

5.1.3 Inserţiile

Inserţiile sunt dispozitive sunt introduse în ţevile netede care permit

ameliorarea transferului de căldură în special prin favorizarea curgerilor

rotative sau prin amestecarea liniilor de fluid, dar şi prin constituirea lor ca o

rugozitate ce distruge stratul limită din apropierea peretelui. Aceste

dispozitive prezintă avantajul că pot fi instalate în schimbător si după

construcţia sa, natura materialului suprafeţei de transfer de căldură

neconstituind un obstacol în utilizarea inserţiilor.Principalul lor dezavantaj

este legat de creşterea puternică a pierderilor de presiune

Dispozitivele care favorizează amestecarea liniilor de fluid (tab.5.2)

acţionează în general în toată secţiunea de curgere cum ar fi dispozitivele

statice (inserţii statice de amestec) (Kenics şi Heatex), sau inserţiile cu

discuri sau bile utilizate în cazul fluidelor vîscoase în regim de curgere

laminar.

Utilizarea inserţiilor resort (tab.5.2) în regim laminar poate conduce

la creşterea coeficientului de transfer de căldură faţă de ţeava netedă de 4

ori (pentru acelaşi număr Reynolds), în timp ce creşterea coeficientului de

frecare este inferioară acestei valori [45]. Dacă se considera ca indice de

performanţă al suprafeţelor ameliorate raportul dintre numărul Stanton şi

coeficientul de frecare, inserţiile resort prezintă o valoare a acestui indice

net superioară celorlalte insertii (Kenics, Heatex, inserţii cu discuri sau bile).

Aceste inserţiile pot fi utilizate şi în regim turbulent cu perfornaţe bune [28].

Inserţiile în formă de stea (tab. 5.2) sunt constituite dintr-o piesă

extrudată din aluminiu, prezentand o formă de stea cu 5, 6 sau 12 colţuri.

Contactul între inserţie şi ţeavă este asigurată prin etirarea ţevii. Extinderea

suprafeţei de transfer de căldură este foarte importantă în acest caz iar o

intensificare semnificativă a transferului de căldură poate fi obţinută şi prin

generarea unei curgeri secundare dacă inserţia este răsucită.

Inserţiile cu benzi răsucite (tab. 5.2) reprezintă o metodă particulară,

simplu de aplicat, pentru care performanţele sunt cunoscute. Intensificarea

transferului de căldură se realizează prin trei acţiuni : reducerea diametrului

hidraulic al ţevii, generarea unei curgeri rotative ce conduce la viteze

ridicate şi extinderea suprafeţei interne de schimb de căldură în condiţiile

unui bun contact perete-inserţie şi a unei conductivităţi ridicate a

materialului folosit pentru inserţie. Performanţele obţinute cu aceste inserţii

Page 11: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 221

sunt diferite funcţie de regimul de curgere laminar [19] sau turbulent [42].

Parametrul utilizat în general pentru caracterizarea geometriei inserţiei este

rata deformării (twist ratio) y, definită ca raportul dintre lungimea benzii

corespunzătoare unei rasuciri de 180° şi diametrul interior al ţevii. Unghiul

elicei ce consituie banda este legat de acest parametru prin relaţia

yatg 1 .

5.1.4. Suprafeţele rugoase

Utilizarea suprafeţelor rugoase este specifică atât schimbătoarelor de

căldură cu plăci cât şi a celor cu ţevi, la interiorul sau exteriorul peretelui.

Rugozităţile pot fi grupate în trei categorii (figura 5.4): rugozităţi în trei

dimensiuni de tip granular, ondulări în două dimensiuni caracterizate prin

obstacole repartizate uniform pe perete, caneluri în două dimensiuni

repartizate uniform pe perete. Pentru caracterizarea geometriei acestor

rugozităţi au fost definite următoarele numere adimensionale :

Rugozitate uniformă

(în trei

dimensiuni)

Rugozitate în două

dimensiuni tip ondulări

Rugozitate în două

dimensiuni tip caneluri

Geometrie

de bază

Geometrii

cu diferite

valori p/e

Geometrii

cu diferite

forme ale

obstacolelor

Fig. 5.4 Tipuri de rugozităţi

Page 12: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 222

înălţimea relativă a rugozităţii, definită ca raportul dintre înălţimea e

a obstacolului şi diametrul hidraulic Dh al canalului ( hDe*e );

pasul relativ al rugozităţilor, definit ca raportul dintre pasul p dintre

două obstacole şi diametrul hidraulic Dh al canalului ( hDp*p );

forma rugozităţii;

în cazul obstacolelor bidimensionale, unghiul obstacolului a cu

direcţia curgerii.

Legendă:

sensul curgerii; - - strat limită; recirculare

Fig. 5.5 Diferite tipuri de curgere în spatele obstacolului

Curgerea în vecinătatea obstacolului, cum este reprezentată în figura 5.5,

este dependentă de raportul p/e. Astfel, după desprinderea de la perete, stratul

limită se reface la o distanţă cuprinsă între 6e şi 8e de ultimul obstacol. La

aproximativ ceastă distanţă coeficientul de schimb de căldură atinge valoare sa

maximă, valoare în general superioară de câteva ori celeia din faţa obstacolului. Cu

cât raportul p/e este mai mic, apare o recirculare între două obstacole, făra punct de

de refacere a stratului limită. S-a constatat că optimul din punct de vedere al

transferului de căldură corespunde unor valori ale raportului p/e situate între 10 şi

15. Calculul coeficientului de transfer de căldură şi a pierderilor de presiune s-a

realizat prin determinarea numărului lui Stanton şi a coeficientului de frecare, cu o

formulare generală bazată pe anlogia între transferul de căldură şi masă [47].

Page 13: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 223

5.1.5 Intensificarea transferului termic la fierbere

La fierberea nucleică, coeficientul de schimb de căldură este

determinat de numărul centrelor de nucleaţie aflate pe suprafaţa de schimb

de căldură, precum şi de realizarea unor condiţii optime de amorsare a

acestora. De aceea, folosirea suprafeţelor rugoase (care prezintă un număr

mare de cavităţi) conduce la obţinerea unor coeficienţi de schimb de căldură

mari. Creşterea coeficientului de schimb de căldură cu mărirea rugozităţii

este cu atăt mai însemnată, cu căt presiunea redusă Pred (raportul dintre

presiunea de saturaţie şi presiunea critică) a sistemului considerat este mai

mică. De exemplu, creşterea rugozităţii unei suprafeţe plane de la 1 m la

10 m determină mărirea coeficientului de schimb de căldură cu 56%, dacă

presiunea redusă este de 0,03, şi cu 38%, dacă presiunea redusă este de 0,3

(fig. 5.6) [5].

0

10

20

30

40

50

60

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Rugozitatea sprafe\ei ( m)

Cre

]ter

ea r

elati

v`

a c

oef

icie

ntu

lui

loca

l d

e tr

an

sfer

de

cald

ura

[n

fier

ber

ea n

ucl

eic`

fa

ta d

e v

alo

are

co

resp

un

zato

are

un

ei p

laci

cu

rug

ozi

tate

a d

e 1

m (

%)

Pred = 0,03

Pred=0,3

Pred=0,9

Fig. 5.6 Mărirea coeficientului de transfer de căldură în fierberea nucleică funcţie

de rugozitatea suprafeţei şi presiunea redusă

Trebuie sublinat că, în timpul procesului de fierbere, o parte din cavităţile

active ale suprafeţei pot fi dezamorsate: lichidul care pătrunde în cavitate după

desprinderea bulei de vapori condensează vaporii rămaşi în cavitate, dezactivând

centrul de nucleaţie. Acest fenomen, numit instabilitate a centrului de nucleaţie,

este determinat, în special, de forma cavităţii. Astfel, o cavitate tip “pungă” (fig.5.7

b) [48] reprezintă un centru de nucleaţie cu o stabilitate superioară faţă de cavităţile

cilindrice sau conice (fig.5.7 a). Deci, pentru intensificarea transferului de căldură

la fierberea nucleică, suprafaţa trebuie să aibă un număr mare de cavităţi (centre de

Page 14: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 224

nucleaţie) active şi stabile în timp. Această condiţie este îndeplinită de suprafeţele

acoperite cu straturi metalice poroase (formate, de exemplu, prin sinterizare) sau de

suprafeţele cu geometrii speciale prezentate în tabelul 5.2 (Thermoexcel E, Gewa

T) sub denumirile lor comerciale, care au un număr mare de cavităţi tip “pungă”

conectate între ele.

Fig. 5.7. Cavitate conică dezactivată (a) şi cavitate tip “pungă” (b)

Intensificarea transferului termic în fierberea la convecţie forţată

se poate realiza prin folosirea suprafeţelor cu rugozitate artificială

(uniformă sau discretă) sau cu geometrii speciale pentru intensificarea

fierberii nucleice. Un exemplu de ţeavă cu rugozitate artificială care

intensifică procesul de fierbere la convecţie forţată este cea cu un număr

mare (50…70) de nervuri interioare elicoidale de înălţime mică (nu

depăşeşte 0,2 mm), prezentată în tabelul 5.2. Ea este utilizată, de exemplu,

în construcţia vaporizatoarelor din instalaţiile frigorifice.

Fierberea la convecţie forţată poate fi intensificată şi prin utilizarea

generatorilor de turbulenţă care realizează o curgere elicoidală (benzile

răsucite). Acestea pot fi amplasate, eventual, numai în zonele cu fluxuri

termice unitare maxime producându-se astfel intensificarea transferului

termic cu un efect redus asupra puterii totale de pompare. La fierberea în

interiorul ţevilor se folosesc şi inserţiile în formă de stea (nervuri radiale din

aluminiu dispuse în interiorul ţevii), prezentate în tabelul 1.34. Această

soluţie este folosită, în special, la vaporizarea agenţilor frigorifici în interior

şi curgerea apei la exterior.

Unul dintre indicii care caracterizează performanţele geometriilor

suprafeţelor folosite pentru intensificarea fierberii este raportul dintre

excesul de temperatură (diferenţa dintre temperatura peretelui şi temperatura

fluidului la saturaţie) corespunzător fierberii pe suprafeţa netedă şi excesul

de temperatură realizat în procesul de fierbere intensificat (pe suprafaţa cu

geometrie modificată), pentru acelaşi flux termic unitar transmis, raport care

reprezintă de fapt de câte ori s-a intensificat transferul de căldură convectiv .

De exemplu, în cazul fierberii agentului frigorific R113 la un flux termic

unitar de suprfaţă de 10 kW/m2, acest indice este 7 pentru ţevi cu geometria

a b

Page 15: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 225

suprafeţei de tip Thermoexcel-E şi 2,5 pentru ţevi cu geometria suprafeţei de

tip GEWA-T [32].

5.1.6. Intensificarea transferului de căldură la condensare

Intensificarea transferului de căldură la condensare se obţine prin

crearea condiţiilor pentru obţinerea condensării nucleice (în picături) şi prin

micşorarea grosimii peliculei de condensat, în cazul condensării peliculare.

Apariţia şi menţinerea condensării nucleice poate fi determinată prin

acoperirea suprafeţei de schimb de căldură cu materiale hidrofobe ca, de

exemplu, metale nobile sau teflon. Folosirea metalelor nobile este limitată

de preţul ridicat al acestora. Teflonul prezintă inconvenientul unei

conductivităţi termice reduse, care diminuează efectul favorabil al

condensării în picături asupra transferului termic. De aceea, stratul de teflon

trebuie să aibă o grosime foarte mică. Dintre rezultatele experimentale se

pot menţiona cele prezentate de Depew şi Reisbig‚ [16] care au evidentiat că

acoperirea unei ţevi de diametru de 12,7 mm cu un strat de teflon cu

grosimea de 1,27 m a condus la dublarea valorii coeficientului de transfer

termic.

În cazul condensării peliculare, întălnită de obicei în aparatele

industriale, intensificarea transferului de căldură se bazează pe micşorarea

rezistenţei termice a peliculei de condensat. Aceasta se realizează prin

mărirea turbulenţei în peliculă şi, în special, prin micşorarea grosimii

peliculei. Atât creşterea turbulenţei condensatului, căt şi micşorarea grosimii

peliculei se obţin prin mărirea vitezei vaporilor; acesta determină ondularea

accentuată a suprafeţei peliculei şi chiar ruperea parţială a acesteia în

picături.

Pentru micşorarea grosimii medii a peliculei, se preferă poziţionarea

orizontală a ţevilor faţă de cea verticală şi se folosesc suprafeţe de schimb

de căldură cu obstacole artificiale, care rup pelicula de condensat formată,

sau cu geometrii speciale, care favorizează scurgerea condensatului sub

acţiunea forţelor de tensiune superficială. La condensarea în ţevile

orizontale, se pot folosi generatori de turbulenţă ca, de exemplu, benzile

răsucite.

Ţevile cu talere (fig.5.8) menţin, pe toată suprafaţa lor, o grosime

medie a peliculei de condensat redusă. Talerele reprezintă obstacole în

drumul condensatului format, rupând pelicula de pe suprafaţa ţevii.

Diametrul exterior al talerelor trebuie să fie suficient de mare pentru ca

lichidul să se scurgă de pe ele în picături.

Page 16: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 226

Dintre ţevile cu geometrii ale suprafeţei care favorizează scurgerea

condensatului sub acţiunea forţelor de tensiune superficială se menţionează:

ţevile canelate, ţevile orizontale cu nervuri transversale şi ţevile cu nervuri

piramidale (tab.5.2). Ţevile canelate reprezintă una dintre cele mai eficiente

geometrii utilizate în cazul condensării. Ele se folosesc la aparatele

vaporizatoare cu ţevi verticale în care vaporii condensează în exteriorul

ţevii, iar lichidul se vaporizează în ţeavă. Canelurile pot fi paralele cu axa

ţevii sau înclinate faţă de aceasta, ţevile din a doua categorie având o

capacitate mai mare de preluare a diferenţelor de presiune. Pentru această

geometrie, intensificarea transferului termic este rezultatul scurgerii

condensatului în şanţurile profilului sub acţiunea forţelor de tensiune

superficială. Astfel, în regiunea crestelor profilului, coeficienţii de convecţie

sunt ridicaţi, coeficientul de convecţie mediu pe suprafaţa acestei ţevi fiind

mult mai mare (aproximativ, de şase ori) decăt în cazul unei ţevi netede. In

plus, ţeava canelată măreşte şi suprafaţa de schimb de căldură pe unitatea de

lungime. Scurgerea condensatului în şanţurile profilului determină

menţinerea practic constantă a coeficientului de convecţie pe lungimea ţevii.

Ţevile canelate pot fi prevăzute cu talere pentru limitarea nivelului

condensatului din şanţurile profilului suprafeţei. Datorită aceluiaşi fenomen

determinat de forţele de tensiune superficială, intensificarea procesului de

condensare se obţine şi pe ţevile verticale care au lipite în lungul lor fire de

sărmă.

Ţevile orizontale cu nervuri transversale de înălţimi mici sunt

folosite pentru intensificarea condensării de mai mulţi ani. Gradienţii de

presiune creaţi de tensiunea superficială favorizează scurgerea

condensatului (fenomenul de “reţinere” a condensatului), însă, capilaritatea

determină totodată reţinerea condensatului în spaţiile dintre nervuri, la

partea inferioară a ţevii, micşorând transferul termic în această zonă. Pentru

reducerea acestui efect negativ, distanţa dintre nervuri se stabileşte în

funcţie de natura fluidului şi parametrii funcţionali. Ţevile orizontale cu

nervuri transversale de înălţimi mici măresc considerabil coeficientul de

convecţie la condensare. Astfel, coeficientul de convecţie obţinut la

condensarea vaporilor de R-11 pe o ţeavă orizontală cu 1378 nervuri/metru,

nervurile avănd un diametru exterior de 19 mm şi o înălţime de 0,9 mm,

este de 5,28 ori mai mare decăt coeficientul de convecţie la condensarea

aceluiaşi agent frigorific pe o ţeavă netedă cu acelaşi diametrul exterior [48].

Acest rezultat a fost stabilit pentru o temperatură a fluidului la saturaţie de

35 °C şi o diferenţă între temperatura la saturaţie şi temperatura peretelui de

9,5 °C.

Page 17: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Intensificarea transferului termic 227

Fig. 5.8 Ţeavă cu talere

Suprafaţa cu nervuri piramidale este folosită, de asemenea, pentru

intensificarea transferului termic la condensare. Pe suprafaţa nervurilor

grosimea peliculei de condensat este redusă, condensatul fiind drenat în

şanţurile formate între şirurile de nervuri, sub acţiunea forţelor de tensiune

superficială

În cazul condensării la ineriorul ţevilor intensificarea transferului de

căldură se realizează cel mai frecvent prin utilizarea nervurilor interioare sau a

inserţiilor statice de amestec. În figura 5.9 se prezintă rezultatele obţinute de Azer

şi Said [41] privind mărirea coeficientului mediu de transfer de căldură la

condensarea în interiorul ţevilor prin mecanismele menţionate.

Fig. 5.9 Coeficientul mediu de transfer de căldură la condensarea

în interiorul ţevilor

Taler

Condensat

Page 18: CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMICadrian-badea.ro/wp-content/uploads/2015/07/TCM_Capitolul_5.pdf · Intensificarea transferului termic 213 obţine prin utilizarea suprafeţelor

Bazele transferului de căldură şi masă 228

5.2 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI TERMIC

PRIN RADIAŢIE

În cazul transferului de căldură prin radiaţie între două suprafeţe

solide separate printr-un mediu diaterm, fluxul termic net schimbat,

respectiv coeficientul echivalent de radiaţie,pentru valori date ale

temperaturilor, cresc cu mărirea factorului de emisie redus al sistemului

considerat. Ca urmare, mărirea coeficientului echivalent de radiaţie este

determinată de folosirea suprafeţelor cu factori de emisie ridicaţi şi stabilirea

unor poziţii reciproce a suprafeţelor care să conducă la mărirea factorului de

emisie redus al sistemului.

Fluxul radiant net cedat de gazele de ardere învelişului solid care le

conţine este determinat de suprafaţa de schimb de căldura, temperaturile şi

factorii de emisie ce caracterizează gazele de ardere şi respectiv suprafaţa

[30]. Conform acestor dependenţe, intensificarea transferului de căldură, în

acest caz, este determinată de marirea temperaturii gazelor de ardere şi

folosirea unor suprafeţe cu factori de emisie mari şi de creşterea factorului

de emisie al gazelor de ardere. La o temperatură şi o compoziţie date pentru

gazele de ardere, factorul de emisie al gazelor de ardere creşte cu mărirea

grosimii efective a stratului radiant, care poate realiza prin alegerea

corespunzătoare a geometriei spaţiului în care se află gazele astfel încât

raportul între volumul ocupat de acestea şi suprafaţa închisă de volum să fie

cât mai mare.