CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI...
Transcript of CAP. 5 INTENSIFICAREA TRANSFERULUI...
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
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
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.
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
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
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)
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
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
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
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
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
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].
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
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
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.
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.
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
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.