НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ІМ. А.М. ПІДГОРНОГО

Кошель Сергій Васильович

УДК 536.24

ТЕПЛОВІДДАЧА ДРОТОВИХ ТЕПЛООБМІННИХ ПОВЕРХОНЬ СПІРАЛЬНОЇ та СПіРАЛЬНО-ТОРОїДАЛЬНОї ФОРМИ

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України

Науковий керівник

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Цаканян Олег Семенович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, старший науковий співробітник відділу моделювання та ідентифікації теплових процесів

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор Маляренко Віталій Андрійович, Харківська національна академія міського господарства, професор кафедри електропостачання міст

кандидат технічних наук, доцент Акмен Роберт Генріхович, Національний технічний університет “ХПІ”, професор кафедри теплотехніки

Захист відбудеться 6 грудня 2007 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

Автореферат розісланий 2 листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук |

О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Актуальність проведених робіт визначається тим, що для забезпечення енергозбереження при опаленні приміщень необхідно створювати нові нагрівальні прилади з теплообмінними поверхнями, що мають високу енергоефективність, широкий діапазон регулювання потужності й малу інерційність. Останнім часом в НВФ “Бусол” виробляються розроблені в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного тепловентилятори, теплові завіси, канальні нагрівники для припливної вентиляції, конвектори, нагрівники міського електротранспорту, де як нагрівальний елемент використовується гнучкий електричний провід (термокабель) діаметром 2,5–4 мм, який має вищезгадані властивості. Гнучкий нагрівальний елемент можна розмістити в перерізі каналу різними способами, пристосовуючи його під геометричну форму каналу. Найчастіше нагрівальний елемент установлюється у вигляді звичайної спіралі або спіралі, згорнутої в тор (спірально-тороїдальна поверхня (СТП)), що дозволяє домогтися хорошої компактності виробу, простоти й технологічності виготовлення. Крім того, в інституті розроблені петельно-дротяні теплообмінні апарати “вода-повітря” з формою петлі у вигляді кільця, поверхня яких з боку оребрення геометрично подібна спірально-тороїдальній поверхні. Результатів досліджень теплових й аеродинамічних характеристик таких конструкцій у літературі не виявлено. Для масового виробництва нагрівальних елементів необхідно провести дослідження з визначення теплових й аеродинамічних характеристик термоблоків із дротовими поверхнями теплообміну вищезгаданих форм, без яких неможливо проектувати ефективні прилади нагріву повітря.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з даного напряму проводилися за бюджетною темою 1.7.2.31 “Методичні основи дослідження процесів теплообміну на поверхнях спірально-тороїдальних нагрівальних елементів” (постанова ВФТПЕ НАН України протокол № , § від 21.01.2002 р.), № Д. Р. U007250.

Мета і завдання досліджень. Мета даної роботи полягає у створенні бази даних за тепловими й аеродинамічними характеристиками і конструкторськими критеріями блоків нагріву зі спіральними й спірально-тороїдальними дротовими поверхнями теплообміну для проектування електричних нагрівників повітря різного призначення й забезпечення надійної роботи термокабелю в термоблоках систем повітряного опалення.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:–

розробити методики дослідження дротових теплообмінних поверхонь;–

створити стенд для дослідження теплових й аеродинамічних характеристик термоблоків із дротовими поверхнями теплообміну;–

визначити середні та локальні коефіцієнти тепловіддачі спіральних і спірально-тороїдальних поверхонь залежно від швидкості повітря, режимних і геометричних параметрів одно- і багаторядних конструкцій в умовах натікання прямого й закрученого повітряних потоків при поперечній і поздовжній орієнтації спірально-тороїдальних поверхонь;–

визначити аеродинамічний опір одно- і багаторядних конструкцій СТП залежно від режимних і геометричних параметрів при прямому й закрученому натіканні повітряного потоку;–

визначити коефіцієнти тепловіддачі спірально-тороїдальної поверхні, яка є оребренням повітряно-водяних теплообмінників;–

визначити конструкторські критерії для проектування нагрівальних приладів;–

розробити принципи вирівнювання локальних коефіцієнтів тепловіддачі на спірально-тороїдальних поверхнях теплообміну;–

розробити рекомендації з проектування нагрівальних приладів.

Об'єкт дослідження – дротові поверхні теплообміну спіральної й спірально-тороїдальної форми.

Предмет дослідження – теплові й аеродинамічні характеристики нагрівальних приладів, що складаються зі спіральних і спірально-тороїдальних теплообмінних поверхонь.

Методи дослідження – метод натурного експерименту для визначення коефіцієнтів тепловіддачі та аеродинамічного опору різних конструкцій електричних блоків нагріву повітря та водяних теплообмінників; аналітичний метод для визначення локальних коефіцієнтів тепловіддачі на поверхнях нагрівальних елементів; обчислювальний метод та метод комп’ютерного моделювання для доказу адекватності моделі при визначенні тепловіддачі водяних теплообмінників. Подання результатів досліджень, їх узагальнення та аналіз проводились методами теорії подібності. Одержані критеріальні рівняння використовувались для створення інженерної методики проектування термоблоків.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Розроблено експериментально-розрахункову методику визначення середніх коефіцієнтів тепловіддачі й температур дротових поверхонь теплообміну, яка відрізняється тим, що для визначення цих параметрів необхідні знання тільки фізичних характеристик повітря за умови постійної густини теплового потоку на поверхні термокабеля.

· Розроблено нову методику визначення аеродинамічного опору термоблока зі спірально-тороїдальною поверхнею при натіканні закрученого потоку повітря на основі витрати повітря й аеродинамічної характеристики вентилятора.

· Уперше для блоків нагріву повітря із дротовими спіральними й спірально-тороїдальними поверхнями теплообміну:

ь досліджено і узагальнено у вигляді критеріальних залежностей теплові й аеродинамічні характеристики таких конструкцій теплообмінних поверхонь: решітка, спіраль і спірально-тороїдальна поверхня із поперечним та поздовжнім обтіканням, залежно від геометричних і режимних параметрів при натіканні прямого потоку повітря;

ь досліджено і отримано коригувальні коефіцієнти для встановлення залежності тепловіддачі та опору термоблока з поздовжньо-обдуваною спірально-тороїдальною поверхнею від номера ряду в умовах натікання прямого потоку повітря;

ь досліджено теплові і аеродинамічні характеристики термоблоків із поздовжньо-обдуваною спірально-тороїдальною поверхнею в умовах натікання закрученого потоку повітря;

ь визначено вплив кута атаки на тепловіддачу і опір блоків нагріву повітря із поздовжньо-обдуваною спірально-тороїдальною поверхнею у прямому й закрученому потоках повітря;

ь розроблено принципи вирівнювання коефіцієнтів тепловіддачі на поверхнях витків.

· Вперше розроблено й обґрунтовано методику розрахунку конвективної тепловіддачі спірально-тороїдальної поверхні, яка є оребренням повітряно-водяного теплообмінного апарата.

Практичне значення одержаних результатів.

· Отримані критеріальні залежності, конструкторські критерії, рекомендації використовуються при проектуванні електричних теплових вентиляторів і завіс, електричних конвекторів, електричних канальних нагрівачів і водяних калориферів у науково-виробничій фірмі “Бусол” (довідка про використання результатів дисертації від 07.05.2007 р.).

· Створено експериментальний стенд для дослідження тепловіддачі і аеродинамічного опору термоблоків нагріву повітря з дротовими поверхнями теплообміну.

· Розроблено нові конструкції теплообмінних поверхонь, що мають хорошу компактність, простоту та технологічність виготовлення.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в роботи, виконані й написані у співавторстві, полягає в такому: у роботі [1] брав участь у розробці й створенні експериментального стенда, розробці методик дослідження теплових і аеродинамічних характеристик термоблоків, а також в обробці результатів випробувань; у роботі [2] дослідив теплові і аеродинамічні характеристики різних конструкцій спірально-тороїдальних теплообмінних поверхонь із поперечним обтіканням повітряним потоком; у роботі [3] брав участь у створенні методики для визначення опору термоблока в умовах натікання закрученого потоку повітря і дослідженні теплових й аеродинамічних характеристик термоблоків із поздовжньо-обдуваною спірально-тороїдальною поверхнею, визначив вплив закрутки потоку на тепловіддачу й аеродинамічний опір; у роботі [4] дослідив теплові характеристики дротових теплообмінних поверхонь в умовах природної конвекції, інерційність конвекторів на базі термокабеля; у роботі [5] дослідив теплові характеристики з боку повітря петельно-дротяних теплообмінних апаратів з кільцевою формою ребра, довів достовірність та адекватність моделей.

Апробація результатів дисертації. Результати дослідження докладались на конференціях: Сучасні проблеми машинобудування: Конференція молодих вчених і фахівців, Харків, 2004–2006 рр., Удосконалювання турбоустановок методами математичного й фізичного моделювання: Міжнародна науково-технічна конференція, – Змійов, 2006 р.

Публікації. Матеріали даної роботи викладені в 5 статтях у наукових фахових виданнях, затверджених постановами ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатка і переліку використаних літературних джерел, що містить 85 найменувань. Робота викладена на 138 сторінках машинописного тексту, що містить у собі 66 малюнків, 5 таблиць, 1 додаток, загальний обсяг 153 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі описано проблему й обґрунтовано актуальність роботи. Сформульовано переваги електричного опалення: децентралізація системи опалення, що дозволяє не опалювати приміщення при відсутності людей; можливість локального, швидкого нагріву; простота обслуговування; можливість широкого регулювання температури повітря в приміщенні. Опалювальні прилади при цьому повинні бути з малою тепловою інерційністю, широким діапазоном регулювання потужності, а системи термостабілізації – з миттєвою реакцією на зміну температури. Крім того, теплообмінні поверхні мають відрізнятися високою надійністю в експлуатації, технологічністю виготовлення, невеликими габаритними й масовими показниками, простотою конструкції й економічною доцільністю. Досягнення високих теплових показників можливо шляхом інтенсифікації процесу теплообміну. Інтенсифікувати теплообмін можна кількома способами або їхньою комбінацією: збільшенням теплообмінної поверхні шляхом оребрення з боку меншого коефіцієнта тепловіддачі; організацією штучної турбулізації потоку; зменшенням периметра обтікання теплообмінних поверхонь.

Перший розділ містить огляд теоретичних й експериментальних робіт, присвячених питанням дослідження тепловіддачі й аеродинамічного опору різних конструкцій дротових поверхонь теплообміну. Показано, що вони мають високі коефіцієнти тепловіддачі при невеликому перепаді тиску за рахунок малого периметра дроту-ребра, на якому не встигає наростати примежовий шар. Розглянуто методики проведення експериментальних досліджень і способи оцінки ефективності поверхонь. Подано конструкцію нового гнучкого нагрівального елемента (рис. ) – термокабеля, для якого розраховано допустимі режими роботи при забезпеченні високого терміну служби й електробезпечності. Сформульовано конструкторські критерії, що забезпечують надійну роботу нагрівального елемента з термокабеля. Визначено вимоги, що забезпечують відповідність поверхонь теплообміну державним стандартам і санітарним нормам.

Рис. . Конструкція термокабеля: 1 – ніхром; 2 – ізоляція; 3 – броня

Оцінено вплив ізоляції на температуру ніхрому в конструкції термокабеля у порівнянні із проводом без ізоляції. Для ніхрому діаметром 1,0 мм побудовано залежності коефіцієнтів тепловіддачі від температури ніхрому (рис. ) у конструкціях проводу без ізоляції й термокабеля з різною товщиною ізоляції ди при густині струму j=15 А/мм2. З рис. видно, що ніхромова жила в ізоляції має температуру на 200-500 С меншу, ніж провід без ізоляції того ж діаметра.Температура ніхрому визначається за формулою , де Tг – температура повітря; – температурний напір між поверхнею термокабеля і повітрям; – спад температури на ізоляції.

Рис. 2. Вплив коефіцієнта тепловіддачі на температуру ніхрому

На підставі виконаного аналізу зроблено висновок про те, що ізоляція сприятливо позначається на роботі термокабеля, а значить, дослідження характеристик теплообмінних поверхонь із термокабеля дасть можливість для проектування високоефективних повітронагрівальних приладів.

У другому розділі відображено експериментальний стенд (рис. ), спроектований для проведення теплових й аеродинамічних досліджень. Він являє собою розімкнуту аеродинамічну трубу й дозволяє формувати рівномірний потік повітря на виході. Для вимірювання витрати повітря в каналі стенда встановлено відградуйований термоанемометр.

Рис. . Експериментальний стенд: 1 – регулятор обертів електродвигуна; 2 – вентилятор; 3 – розширювальна камера; 4 – датчики температури; 5 – термоанемометр; 6 – ватметр; 7 – регулятор температури; 8 – вимірювач перепаду тиску (мікроманометр); 9 – досліджувана модель; 10 й 11 – перехідні канали; 12 – вимірювальний перетворювач Ш711/1И; 13 – комп'ютер; 14 – екрани; 15 – решітка; 16 – з’єднувальні проводи; 17 – стабілізатор напруги

У цьому ж розділі описано розроблені методики для дослідження тепловіддачі й аеродинамічного опору дротових конструкцій теплообмінних поверхонь при різних умовах натікання потоку повітря. Коефіцієнти тепловіддачі a теплообмінних поверхонь визначалися за законом Ньютона-Рихмана

,

де Q – теплова потужність; Fп – площа поверхні нагрівального елемента; і – середні температури поверхні й повітря відповідно.

Для того щоб поширити результати експериментів на інші моделі, результати досліджень тепловіддачі й аеродинамічному опору подано в безрозмірному вигляді. За визначальний розмір взятий діаметр термокабеля по вершинах дроту-броні, за визначальну температуру – середня температура потоку повітря. Швидкість повітря обчислювалася в самому вузькому перерізі каналу, де розташовувалася досліджувана модель.

У третьому розділі описано конструкції теплообмінних поверхонь із термокабеля і результати досліджень їх теплових й аеродинамічних характеристик.

Для теплообмінної поверхні типу решітка (рис. ) визначено, що наявність броні з тонкого металевого проводу не впливає на тепловіддачу в порівнянні із гладким проводом. Тепловіддача залежить тільки від діаметра термокабеля й швидкості потоку у вузькому перерізі каналу й не залежить від геометрії рівномірного розміщення нагрівального елемента в перерізі каналу. При обдуванні рівномірним потоком повітря результати дослідів узагальнюються залежністю

(1)

при .

Рис. . Ескіз решітки: 1 – обичайка; 2 – стрічка-носій; 3 – термокабель; 4 – клемна колодка

Аналогом обтікання решітки є обтікання одиночного циліндра. Порівняння критеріальних залежностей з тепловіддачі циліндраЖукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках. – М.: Наука, 1982. – 472 с. й решітки (1) дано на рис. . Тепловіддача решітки (тонка лінія з експериментальними точками) вище на 22-25у порівнянні із середньою тепловіддачею поперечно-обдуваного циліндра (жирна лінія) із-за наявності теплообміну випромінюванням і відводу теплоти теплопровідністю в місцях кріплення до носія-стрічки.

Рис. . Тепловіддача решітки й одиночного циліндра

Теплообмінна поверхня типу прямої спіралі (рис. ) відрізняється від решітки тим, що структура потоку повітря, що проходить через неї, завжди є тривимірною. При цьому велике значення має вплив епюри розподілу швидкості повітря через спіраль на локальну тепловіддачу через те, що по твірній витка спіралі змінюється периметр обтікання гнучкого нагрівального елемента, що призводить до нерівномірного розподілу тепловіддачі на поверхні спіралі й до появи зон локального перегріву.

Рис. 6. Ескіз прямої спіралі

Аналіз моделей спіральних поверхонь із різними геометричними характеристиками показав, що розподіл швидкості близький до рівномірного. Лише в місцях переходу опуклої частини спіралі в увігнуту по ходу потоку спостерігається перевищення швидкості щодо середньої на 10що викликано малим аеродинамічним опором у зазорах. У цих місцях знаходиться найбільший периметр обтікання термокабеля, що приводить до збільшення товщини примежового шару й зменшення локальних коефіцієнтів тепловіддачі. Максимальні їх значення спостерігаються в ближній і дальній точках за течією повітря, а мінімальні – у місцях переходу витка з опуклої частини в увігнуту. Нерівномірність коефіцієнтів тепловіддачі відносно середньої величини не перевищує 20а температури ніхрому – 8Для того щоб звузити цей діапазон, необхідно зменшити діапазон периметра обтікання поверхні витка спіралі, тобто спіраль або повинна мати великий відносний міжвитковий крок (l/d>4), або бути намотана на стрічку-носій зі зсувом між опуклою й увігнутою частинами витка, більшим ніж l/2. Тоді форма утворюючого витка з окружності перетворюється в овал, а кут атаки збільшується. В результаті крім зменшення периметра обтікання можуть зовсім зникнути тіньові зони у вершинах спіралі.

Встановлено, що тепловіддача багаторядних спіральних поверхонь не залежить від номера ряду при їх коридорному розміщенні в каналі з поздовжнім кроком, більшим ніж 1,5Dсп, і узагальнюється залежністю

. (2)

Наявність захисту від механічних впливів поверхні термокабеля у вигляді щільної навивки металевого проводу, що збільшує поверхню теплообміну, не змінює тепловіддачу в порівнянні із гладкою поверхнею (як і для решітки).

Аеродинамічний опір дворядних конструкцій прямої спіралі не залежить від числа Re. Формула має вигляд

. (3)

Область застосування формул (2-3): , , .

При дослідженні конструкцій спірально-тороїдальних поверхонь із поперечним обтіканням потоком повітря (рис. ) встановлено, що на тепловіддачу й аеродинамічний опір впливають такі геометричні характеристики, як діаметри термокабеля, спіралі й несучої труби, а також крок між сусідніми петлями. Зміна кожного із цих параметрів при фіксованих інших впливає на формування тіні від попередніх петель на наступні убік її збільшення або зменшення, на кути атаки й кількість петель, які перебувають у тіньовій зоні несучої труби.

Рис. . Ескіз спірально-тороїдальної поверхні з поперечним обтіканням

Натікання потоку на розташовані по окружності труби петлі відбувається під кутом атаки від 0 до 90?. Досліджуючи тепловіддачу даної поверхні, спостерігали, що при збільшенні середнього кроку між петлями показник ступеня при числі Re зменшується, у той час як коефіцієнт при Re збільшується. Це викликано тим, що при малому кроці поруч розташовані петлі як би "затінюють" одна одну, не даючи потоку повітря здійснити лобове натікання (90?) на наступну петлю (цей факт підтверджується даними інших авторів при обтіканні коридорних пучків труб залежно від їхнього розташування). Однак апроксимаційна математична модель, побудована з урахуванням "тіньового" фактора (викликаного впливом середнього міжвиткового кроку), не дала достатньої точності. Тому була прийнята інша апроксимаційна модель, де в явній формі введений параметр Dтр/Dсп і середній показник ступеня при числі Re. Обробка всіх експериментальних даних по конвективній тепловіддачі спірально-тороїдальної теплообмінної поверхні в поперечному потоці повітря в критеріальній формі дозволила одержати залежність

. (4)

На рис. наведено порівняння областей зміни безрозмірного коефіцієнта тепловіддачі від безрозмірної швидкості повітря для трьох теплообмінних поверхонь (решітка, спіраль, поперечно-обдувана спірально-тороїдальна) у досліджених межах числа Re і геометричних параметрів. Очевидно, що тепловіддача спірально-тороїдальної поверхні нижче, ніж у спіралі й решітки через погані умови обтікання в районі несучої труби, а також через вплив тіні. Тепловіддача решітки може бути як вище, так і нижче, ніж у спіралі (для відносного кроку між витками спіралі, що дорівнює 2,5, коефіцієнти тепловіддачі спіралі й решітки вирівнюються). При цьому кути атаки становили: для решітки 90, для інших поверхонь кути мінялися від 0 до 90?.

Рис. 8. Область зміни тепловіддачі від конструктивних параметрів для трьох типів теплообмінних поверхонь

Аеродинамічний опір термоблоків з поперечно-обдуваними спірально-тороїдальними поверхнями в дослідженому діапазоні зміни чисел Re узагальнюється залежностями

, ; (5)

, . (6)

Межі застосування формул (4-6): , .

Дані залежності з розрахунку аеродинамічного опору поперечно-обдуваних СТП можна застосовувати й для визначення опору з боку повітря петельно-дротових теплообмінних апаратів з кільцевою формою петлі (перевірка відповідності опорів обох моделей виконувалася на п'ятьох однорядних теплообмінниках з різними геометричними характеристиками й кількістю трубок від 4 до 8).

Для проектування спірально-тороїдальних поверхонь із поздовжнім обтіканням фронтальним прямим потоком повітря проведено дослідження і встановлено оціночні закономірності для двох типів серійних конструкції: одно- (рис. ) і двоярусної. Гідродинамічна картина руху рідини, що омиває ці поверхні, ускладнена тим, що при фронтальному натіканні потоку по всій довжині витка спіралі змінюється периметр обтікання від окружності до витягнутого овалу, задня по потоку половина витка є ввігнутою на відміну від передньої – опуклої (як і у спіралі). Опукла частина перекриває від натікання потоку ввігнуту, у результаті чого утворюється тінь, яка зі збільшенням міжвиткового кроку спіралі зменшується. Вихровий слід, що утворився за опуклою частиною, по висоті витка має змінну довжину, отже, картина ліній струму, що обтікають увігнуту частину, є змінною. Спірально-тороїдальна й спіральна поверхні мають ті самі фактори впливу на тепловіддачу й опір. Їхня відмінність полягає лише в змінній величині міжвиткового зазору по висоті витка, величина якого менша по внутрішній окружності тора й більша по зовнішній. Відповідно тінь буде більшою поблизу внутрішньої окружності тора й меншою поблизу зовнішньої. Всі ці фактори впливають на тепловіддачу, яка є нерівномірною по всій поверхні витка спіралі.

Рис. 9. Ескіз одноярусної спірально-тороїдальної поверхні з поздовжнім обтіканням

Картини розподілу швидкостей по радіусу каналу, у якому розміщена спірально-тороїдальна поверхня, в найбільшій мірі залежить від зазорів між стінками каналу й спіраллю. Найбільш вирівняна картина течії спостерігається на моделі із внутрішнім зазором, де витрата повітря через зазор не перевищує 5від загальної витрати повітря через нагрівальний блок. На епюрах швидкостей з зовнішнім та двома зазорами спостерігається перекіс убік зовнішньої частини спірального тора, що сприяє ще більшій нерівномірності коефіцієнтів тепловіддачі. При цьому більше 30витрати повітря проходить повз гнучкий нагрівальний елемент через зазор. У моделі без радіальних зазорів перекіс швидкості й коефіцієнтів тепловіддачі убік зовнішньої частини компенсується в достатній мірі високою відносною швидкістю, а менша швидкість у всіх моделях у районі стрічки-носія – мінімальним периметром обтікання, що не приводить до зменшення локального коефіцієнта тепловіддачі на поверхні витка СТП в цьому місці. Найбільш оптимальною з точки зору рівномірності температури є конструкція із внутрішнім радіальним зазором.

Для такої спірально-тороїдальної поверхні були проведені розрахунки локальних коефіцієнтів тепловіддачі й температур ніхрому по висоті витка спіралі відповідно до виміряних розподілів температури й швидкості повітря. Максимальна температура спостерігається в місці, де опукла частина витка переходить в увігнуту, через різке збільшення характерного розміру обтікання термокабеля. При цьому перевищення максимальної температури ніхрому над середньою складає не більше 8Цю величину необхідно закладати при проектуванні спірально-тороїдальних поверхонь із кутом установки витків не більше 11?.

Середня тепловіддача одноярусних спірально-тороїдальних поверхонь не залежить від геометричних розмірів концентричних каналів й має вигляд

. (7)

Якщо порівнювати тепловіддачу спірально-тороїдальних поверхонь і спіралі при однакових конструктивних параметрах, то видно, що область зміни тепловіддачі СТП звузилася й змістилася вбік максимальної тепловіддачі спіралі. Це визвано перебудовою структури течії із циліндричної в концентричну, коли потік обтікає на своєму шляху торцеву сферичну поверхню внутрішнього циліндра. Густина ліній струму поблизу нього збільшується і має максимальну величину, яка по мірі віддалення від поверхні циліндра в радіальному напрямку плавно зменшується. Розподіл швидкості потоку по радіальній координаті має пряму залежність, а міжвиткові зазори – обернену, що є другою причиною збільшення локальної тепловіддачі на поверхнях витків, перебуваючих в районі внутрішньої стінки концентричного каналу.

Аеродинамічний опір одно- і дворядних одноярусних конструкцій СТП, як і для спіралі, носить автомодельний характер й узагальнюється залежностями

, (8)

де А=2,61 для однорядних моделей, А=3,71 – для дворядних. Межі застосування формул (7-8): , , .

Оскільки двоярусна конструкція СТП має більше факторів впливу на тепловіддачу й аеродинамічний опір (різні міжвиткові кроки й присутність радіального між’ярусного зазору), які важко врахувати, то для неї не визначалися критеріальні рівняння залежно від конструктивних характеристик поверхні. Картина розподілу швидкості фактично повторює ту, котра спостерігалася на одноярусних моделях. При фронтальному натіканні потоку повітря на двоярусні спірально-тороїдальні поверхні було встановлено, що на внутрішньому ярусі тепловіддача вище, ніж на зовнішньому, незважаючи на істотну відмінність у кроках між витками. Тут вплив кроку на тепловіддачу виявляється меншим, аніж вплив швидкості течії повітря через внутрішній ярус. Більш висока інтенсивність тепловіддачі на внутрішньому ярусі, ніж на зовнішньому, викликана меншим аеродинамічним опором внутрішнього ярусу (через більший крок) і радіальним розподілом швидкості потоку на вході в концентричний канал, що приводить до більш високої швидкості повітря через внутрішній ярус. Якщо порівняти тепловіддачу одно- і двоярусних моделей, то середня інтенсивність тепловіддачі при однакових відносних кроках вище в одноярусної конструкції. При цьому у внутрішнього ярусу двоярусної моделі вона наближається до тепловіддачі одноярусного термоблока й виявляється найбільш низькою в зовнішнього ярусу. Очевидно, зменшення інтенсивності тепловіддачі викликано наявністю двох радіальних зазорів, через які частина повітря проходить повз спірально-тороїдальну поверхню, не беручи участь у теплообміні. Крім того, на першому ряді двоярусної моделі градієнт швидкості повітря по радіальній координаті вище на внутрішньому ярусі, ніж на зовнішньому. При цьому довжина гнучкого нагрівального елемента на зовнішньому ярусі звичайно в 2 і більше раз вище, ніж на внутрішньому. Таким чином, щоб забезпечити рівномірний розподіл швидкості потоку, необхідно збільшувати міжвитковий крок на зовнішньому ярусі.

Двоярусні конструкції СТП за своїми геометричними характеристиками не відрізняються великою різноманітністю. Разом з тим, для отримання великої потужності в системах припливної вентиляції використовують СТП з великою кількістю рядів. Тепловіддача мало залежить від номера ряду при коридорному розташуванні СТП у концентричному каналі з поздовжнім кроком, більшим 1,5Dсп, тоді як опір збільшується. Тому дослідження їх аеродинамічних характеристик велося залежно від числа рядів. Аеродинамічний опір двоярусних конструкцій поздовжньо-обтічних СТП, на відміну від одноярусних, залежить від числа Re. Визначено, що після 11-го ряду безрозмірний аеродинамічний опір, приведений до одного ряду, не змінює свого значення. Отримано таку залежність зміни аеродинамічного опору для двох конструкцій двоярусних спірально-тороїдальних поверхонь від номера ряду:

, де ; , ; , .

В деяких нагрівальних пристроях (наприклад у тепловентиляторах) застосовуються поздовжньо-обдувані СТП з натіканням закрученого потоку повітря, що формується на виході осьового вентилятора. Тому необхідно знати теплові й аеродинамічні характеристики термоблоків в умовах натікання закрученого повітряного потоку на спірально-тороїдальну поверхню, розташовану в концентричному каналі. При цьому необхідно враховувати кут установки й висоту лопаті вентилятора й сформовану ним епюру розподілу швидкості. Найбільш вагомими параметрами впливу на інтенсивність тепловіддачі виявилися кут закрутки потоку й радіальний зазор. При проходженні закрученого потоку через багаторядний термоблок з кожним наступним рядом відбувається зменшення кута закрутки до повного його зникнення.

Отримані результати підтверджують ту особливість, що зі зменшенням кроку між витками спостерігається збільшення інтенсивності теплообміну. При закрученому потоці на першому ряді в діапазоні зміни відносного міжвиткового кроку від 2,38 до 4,1 коефіцієнти тепловіддачі змінюються на 4,3а при прямому фронтальному натіканні потоку – на 7,5тобто зменшується вплив відносного кроку на тепловіддачу.

Зміна величини радіального зазору між увігнутою стінкою каналу й спірально-тороїдальною поверхнею від 2 до 8 мм збільшує тепловіддачу одноярусної конструкції на 5. Це викликано присутністю радіальної складової швидкості потоку, яка збільшується за рахунок зменшення гальмування поблизу ввігнутої стінки.

Порівнюючи коефіцієнти тепловіддачі в локальних рядах багаторядної одноярусної моделі при закрученому потоці, можна відзначити, що коефіцієнти тепловіддачі на першому ряді вище на 15ніж на третьому, і на 21ніж на сьомому, що пов'язано зі зменшенням кута закрутки потоку. Кут закрутки впливає головним чином на кут атаки, при якому змінюється периметр обтікання нагрівального проводу. Таким чином, потік, сформований після третього ряду, при проходженні через наступні ряди термоблока викликає слабке зменшення тепловіддачі спірально-тороїдальної поверхні.

Для двоярусної спірально-тороїдальної поверхні при закрученому потоці повітря характерне перевищення коефіцієнтів тепловіддачі на зовнішньому ярусі щодо внутрішнього. Коефіцієнти тепловіддачі на внутрішньому ярусі фактично не змінюються зі збільшенням номера ряду по ходу потоку, тоді як на зовнішньому ярусі вплив відцентрових сил повною мірою відчувається на першому ряді, де спостерігається перевищення коефіцієнтів тепловіддачі в середньому в 1,55 рази щодо шостого ряду, після якого потік стає практично вирівняним. Для багаторядних одно- і двоярусних моделей зміна коефіцієнтів тепловіддачі залежно від номера ряду z подано у вигляді відношення коефіцієнтів тепловіддачі при закрученому потоці повітря до коефіцієнтів тепловіддачі при прямому потоці повітря (рис. ). Найвища тепловіддача зовнішнього ярусу двоярусної моделі викликана найбільшим кутом закрутки потоку (відповідає куту атаки близько 45?, при якому зменшується периметр обтікання термокабеля), а також максимальною окружною швидкістю повітря після зриву потоку від лопаті вентилятора. Після проходження третього ряду впливу закрутки потоку майже не відчувається.

Рис. . Порівняння тепловіддачі одно- і двоярусних СТП при натіканні прямого й закрученого потоків

Аеродинамічний опір термоблоків зі спірально-тороїдальними поверхнями залежить від швидкості закрученого потоку повітря і у середньому в 1,8 рази вище, ніж при натіканні прямого потоку повітря (рис. ).

Рис. . Порівняння аеродинамічного опору двоярусних конструкцій СТП при закрученому й вирівняному потоках повітря

У всіх попередніх дослідженнях кут установки витка спіралі й СТП дорівнював 79-85?. При обтіканні спірально-тороїдальних поверхонь дуже сильно змінюється периметр обтікання поверхні по твірній витка, що призводить до нерівномірного розподілу коефіцієнтів тепловіддачі й температур поверхні термокабеля і центральної ніхромової жили. Вирівнювання розподілу зазначених температур можливо, якщо зменшити діапазон зміни периметра обтікання поверхні по твірній витка, що спостерігалося при дослідженні моделей при натіканні закрученого потоку. Цей фактор був причиною збільшення середньої тепловіддачі. Дослідження показали, що при кутах установки витка 45-61? збільшення середньої тепловіддачі досягає 15при однакових умовах обтікання в порівнянні з кутом установки близько 80?, а в порівнянні з натіканням прямого потоку тепловіддача збільшується в 1,33 рази. При цьому також проявляється ефект вирівнювання коефіцієнтів тепловіддачі по твірній витка, у зв'язку із чим максимальна нерівномірність температури ніхромової жили від середньої зменшується з 8 до 2-3Кут атаки впливає на величину аеродинамічного опору одноярусних конструкцій СТП у прямому потоці повітря (з його збільшенням росте опір) і практично не впливає на величину опору в закрученому потоці. Тому опір в умовах закрученого потоку залежить тільки від міжвиткового кроку. Разом з тим, витрати потужності на продувку одноярусної конструкції спірально-тороїдальної поверхні для отримання однакової тепловіддачі в умовах натікання прямого й закрученого потоків повітря істотно відрізняються один від іншого убік меншої потужності при закрученому потоці з наступним зменшенням при збільшенні кута атаки. Водночас збільшення кута атаки в умовах натікання прямого потоку для різних міжвиткових кроків не впливає на залежність тепловіддачі від потужності, затрачуваної на продувку поверхні. Зі збільшенням числа рядів спірально-тороїдальної поверхні витрати потужності збільшуються для закрученого потоку й виявляються рівними для дворядних моделей, які працюють в умовах як прямого, так і закрученого потоків повітря. Діапазон зміни тепловіддачі спірально-тороїдальних поверхонь залежно від кута атаки , що змінюється від 11,4 до 94? при однаковому міжвитковому кроці в умовах закрученого й прямого потоків повітря становить 60

У підрозділі “Природна конвекція” наведені критеріальні залежності для визначення інтенсивності тепловіддачі нагрівальних елементах типу спіралі й спірально-тороїдальної поверхні з поперечним обтіканням залежно від висоти витяжного каналу. На базі цих нагрівників можна проектувати конвектори. Визначено, що зі збільшенням висоти витяжного каналу коефіцієнти тепловіддачі істотно збільшуються. Проведено дослідження інерційності спірального конвектора, побудовано номограми для розрахунку потужності конвектора залежно від висоти каналу й температурного напору. В результаті визначено, що конвектори наведеної конструкції є перспективними для обігріву приміщень різного призначення.

У кінці розділу наведено приклад інженерного розрахунку нагрівального пристрою з термокабеля при заданих конструкторсько-технологічних обмеженнях.

У розділі 4 наводяться результати дослідження тепловіддачі з боку оребрення розроблених в Інституті проблем машинобудування петельно-дротяних теплообмінників “вода-повітря” з кільцевою формою ребра, які конструктивно подібні поперечно-обдуваним спірально-тороїдальним поверхням теплообміну (див. рис. ). Оскільки діаметр дротового ребра досить малий (0,5-1,5 мм), що ненабагато перевищує діаметр проводів термопар, у виміри температури вносяться похибки. Тому довелося відмовитися від вимірів температур і розробити методику розрахунку приведеного коефіцієнта тепловіддачі, розрахованого по температурі основи ребра. При цьому прийняте допущення, що під температурою основи ребра розуміється середня температура зовнішньої стінки труби, яка розраховується по вимірюваній температурі теплоносія. Приведений коефіцієнт тепловіддачі, розрахований по температурі зовнішньої стінки труби, визначається за формулою

, (9)

де бпр – приведений коефіцієнт тепловіддачі; бр – конвективний коефіцієнт тепловіддачі ребра; E – ефективність ребра; Fр – площа поверхні ребра; Fтр – площа труби, вільної від ребер; ш – поправковий коефіцієнт; бтр – конвективний коефіцієнт тепловіддачі труби.

Експериментально коефіцієнт тепловіддачі бпр можна отримати шляхом непрямих вимірів і розрахувати за формулою , де Q – теплова потужність; Tосн – температура зовнішньої стінки труби; Tг – середня температура повітря.

Проведені виміри дозволили отримати теплову потужність і температури повітря й води. Температура зовнішньої стінки труби визначалася шляхом розрахунку. Спочатку за допомогою методу простих ітерацій визначався коефіцієнт тепловіддачі усередині труби по відомій залежності Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – М.: Энергия, 1977. – 343 с. для турбулентної течії рідини

.

Потім розраховувалася температура внутрішньої стінки труби , де Tж – температура води; q – густина теплового потоку; бж – коефіцієнт тепловіддачі з боку води.

Після цього вирішенням задачі теплопровідності для циліндричної стінки при наявності внутрішніх джерел теплоти з відводом теплоти через зовнішню поверхню знаходилась середня температура зовнішньої стінки труби

,

де ql – лінійна густина теплового потоку; л – коефіцієнт теплопровідності матеріалу труби; r1 й r2 – відповідно внутрішній і зовнішній радіуси труби.

У залежності (9) конвективний коефіцієнт тепловіддачі ребра бр визначався по (4), а конвективний коефіцієнт тепловіддачі зовнішньої стінки труби бтр, вільної від оребрення, – по відомій залежності1 для поперечного обтікання пучка труб

. (10)

Що стосується коефіцієнта ш, то в результаті дослідження п'яти теплообмінників з різними геометричними характеристиками і його розрахунку по (9) отримано такі залежності:

, при 200<Re<585;

, при 585<Re<950.

Похибка розрахунку тепловіддачі по цих формулах не перевищує 4

Для підтвердження правильності використаної методики визначення приведеного коефіцієнта тепловіддачі була вирішена задача теплопровідності в тривимірній лінійній постановці для виділеного елемента труби з петельно-дротяним ребром за допомогою чисельного моделювання. Аналіз результатів порівняння експериментальних і розрахункових приведених коефіцієнтів тепловіддачі дозволяє зробити висновок про те, що описана методика визначення приведених коефіцієнтів тепловіддачі придатна для інженерних розрахунків, а пропозиція по визначенню інтенсивності тепловіддачі на зовнішній поверхні труби, вільної від оребрення, по залежності (10) не внесла істотних помилок.

Також проведено порівняння теплообмінників з кільцевим ребром з петельно-дротяними теплообмінними апаратами із прямокутною формою ребра за тепловими й аеродинамічними характеристиками з боку повітря. Визначено, що коефіцієнти тепловіддачі пристроїв з кільцевим ребром на 17вище, а аеродинамічний опір – на 19-23менше.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ Й ВИСНОВКИ

1. Результати роботи відносяться до вдосконалення теплообмінних апаратів з метою підвищення їх енергоефективності й зниження вартості при забезпеченні високої надійності.

Основним результатом дисертаційної роботи є створення бази даних по конвективній тепловіддачі й аеродинамічному опору термоблоків з дротовими поверхнями теплообміну спіральної й спірально-тороїдальної форм в діапазонах зміни геометричних параметрів, що забезпечують компактність блоків нагріву повітря.

2. Запропоновано таку форму подання інформації:–

для однорядних поверхонь теплообміну при поперечному й поздовжньому їхньому обтіканні прямим потоком повітря – критеріальні рівняння з незалежними геометричними й режимними параметрами (ці залежності прийняті за базові);–

для багаторядних одно- і двоярусних конструкцій теплообмінних поверхонь при поздовжньому обтіканні прямим потоком повітря – залежність тепловіддачі й опору від номера ряду;–

для одно- і багаторядних одно- і двоярусних спірально-тороїдальних поверхонь теплообміну при їхньому обтіканні закрученим потоком – у вигляді коефіцієнтів залежно від номера ряду;–

для одно- і багаторядних одноярусних спірально-тороїдальних поверхонь теплообміну при натіканні прямого й закрученого потоків повітря з різними кутами установки витків – у вигляді відносних величин тепловіддачі й опору;–

для однорядних повітряно-водяних теплообмінних апаратів зі спірально-тороїдальним оребренням тепловіддача з боку повітря – у вигляді сукупності трьох критеріальних рівнянь по тепловіддачі з незалежними геометричними й режимними параметрами.

3. Виявлено такий вплив факторів на тепловіддачу й аеродинамічний опір досліджених конструкцій термоблоків із дротовими теплообмінними поверхнями:–

збільшення міжвиткового кроку й діаметра спіралі зменшують тепловіддачу й аеродинамічний опір;–

зміна величини зазорів між нагрівником і стінками корпуса мало впливає на тепловіддачу, однак дозволяє достигти зменшення нерівномірності в розподілі поля швидкостей через спірально-тороїдальну поверхню;–

зміна геометричних характеристик несучих каналів на тепловіддачу й аеродинамічний опір впливу не має;–

збільшення кута установки витків дає позитивний ефект як при прямому, так і при закрученому потоці повітря – середня тепловіддача збільшується в межі до 10нерівномірність коефіцієнтів тепловіддачі по твірній витка зменшується з 20 до 6а температури на центральній жилі – з 8 до 2–3Аеродинамічний опір збільшується, при цьому для закрученого потоку енергетична ефективність збільшується на одно- і дворядних конструкціях, а при натіканні прямого потоку залишається практично незмінною;–

зміна кута атаки сильно позначається на аеродинамічному опорі одноярусних конструкцій СТП у прямому потоці повітря (з його збільшенням росте опір) і практично не впливає на величину опору в закрученому потоці при тому самому міжвитковому кроці;–

зміна кількості рядів одно- і двоярусних конструкцій СТП впливає на тепловіддачу й опір. В умовах натікання закрученого потоку на спірально-тороїдальні поверхні ефективно використовувати одно- і дворядні моделі, подальше збільшення кількості рядів є нераціональним.

4. Максимальну тепловіддачу з досліджених поверхонь теплообміну мають поверхні з кутом установки витків від 45 до 55?, розподіл локальних коефіцієнтів тепловіддачі й температур на центральній жилі в них наближається до рівномірного. За допомогою зміни кута установки витків у рядах багаторядних конструкцій можна домогтися однакової температури поверхні й центральної жили в рядах спірально-тороїдальних поверхонь.

5. Установлено критеріальні залежності тепловіддачі для компактних спіральних і спірально-тороїдальних поверхонь від геометричних параметрів витяжного каналу при природному русі повітря. Визначені теплова інерційність і діапазони зміни тепловіддачі при обмеженні на температуру поверхні нагрівника.

6. Установлено конструкторські критерії й розроблено методику проектування нагрівальних блоків на базі термокабеля.

7. У порівнянні із дротовими теплообмінними апаратами із прямокутною формою петлі-ребра в теплообмінниках з кільцевим ребром тепловіддача з боку повітря в 1,17 рази вище при однакових геометричних і режимних параметрах, а опір – в 1,2 рази нижче. Для забезпечення однакової теплової потужності це дозволяє зменшити поверхню оребрення й тим самим знизити аеродинамічний опір на продувку теплообмінного апарата, що приводить до зменшення енерговитрат.

8. Результати досліджень теплообмінних поверхонь використовуються при розробці нових нагрівальних приладів у НВФ “Бусол”.

Основний зміст дисертації опубліковано у роботах:

1.