КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Вишегородська Олена Олегівна

УДК 628.81

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ТЕПЛООБМІНУ В ОПАЛЮВАЛЬНИХ КОНВЕКТОРАХ В УМОВАХ ТЕРМОГРАВІТАЦІЙНОЇ КОНВЕКЦІЇ

05.23.03. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, професор кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович, завідувач кафедри теплогазопостачання і вентиляції Полтавського державного технічного університету ім. Ю. Кондратюка

кандидат технічних наук, Макаров Анатолій Стефанович, старший науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту санітарної техніки і обладнання будівель і споруд

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України (м. Київ).

Захист дисертації відбудеться “  ” березня 2001р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. Ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий “  ” лютого 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради О.А.Василенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність

Особливе значення для нашої держави має проблема енергозбереження.

Витрати енергоресурсів на опалення будинків у містах і сільській місцевості становлять 25–30від обсягу загальних їх витрат. Це обумовлює важливість вирішення питання по зниженню енергоємності систем опалення. Зниження енерговитрат на опалення в основному досягається: підвищенням термічного опору огороджуючих конструкцій будинків і споруд; удосконаленням систем опалення шляхом інтенсифікації теплообміну в опалювальних приладах; переходом на перервні режими їх роботи та широким впровадженням систем виміру і автоматичного регулювання. Більш ефективних результатів при впровадженні перервних режимів роботи та систем автоматичного регулювання можливо досягти у системах з малоінерційними опалювальними приладами, до яких належать конвектори з кожухами. Наявність кожуха (каналу) дозволяє інтенсифікувати тепловіддачу від нагрівача і знизити інерційність приладу.

Явно недостатньо розроблено у вітчизняній та світовій літературі питання про тепловіддачу нагрівачів у вертикальному каналі в умовах термогравітаційного руху повітря. Геометричні розміри існуючих конструкцій конвекторів не оптимізовані по інтенсивності тепловіддачі нагрівачів. Особливо це стосується електроконвекторів, випуск яких в Україні взагалі знаходиться на початковій стадії. Рішення по інтенсифікації теплообміну нагрівача в цих умовах потребує подальшого наукового обгрунтування, яке дасть можливість оптимізувати конструкції конвекторів, підвищити їх техніко  економічні і санітарно  гігієнічні показники.

Таким чином, робота, що направлена на вирішення цієї задачі, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами

Робота виконана в рамках завдань комплексної Державної програми енергосбереження України (тема 7.1.469, реєстраційний номер 0199U003774). Автором виконано розділ теми, що торкається інтенсифікації теплообміну в опалювальних приладах.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи  наукове обгрунтування методів інтенсифікації теплообміну нагрівачів у вертикальних каналах в умовах термогравітаційної конвекції та розробка опалювальних конвекторів з підвищеними теплотехнічними та санітарно-гігієнічними показниками.

Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі:— 

експериментальне і аналітичне вивчення теплообміну циліндричного горизонтального нагрівача у вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції;— 

експериментальні дослідження інтенсифікації конвективної тепловіддачі горизонтального циліндра у вертикальному плоскому каналі з вставками-екранами;— 

експериментальні дослідження розподілу температур на поверхнях каналу;— 

розробка інженерної методики розрахунку водяних та парових конвекторів з гладкотрубними та оребреними нагрівачами;— 

створення конструкцій опалювальних конвекторів з кожухами з підвищеними теплотехнічними і санітарно-гігієнічними показниками.

·

Об'єкт дослідження – процеси теплообміну горизонтального нагрівача в вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції.

Предмет дослідження – інтенсифікація теплообміну в опалювальних конвекторах в умовах термогравітаційної конвекції.

Методи дослідження – аналітичні і експериментальні дослідження процесу теплообміну горизонтального циліндра у вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції, обробка результатів досліджень у вигляді критеріальних рівнянь та розробка методики інженерних розрахунків.

Наукова новизна одержаних результатів— 

обгрунтовано механізм конвективної тепловіддачі горизонтального циліндра у вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції. Показано, що для цих умов більш доцільно описувати процес тепловіддачі залежністю у вигляді , а не ;— 

аналітично, шляхом вирішення систем рівнянь теплового та аеродинамічного балансу, одержано вираз для знаходження величини модифікованого числа , який характеризує умови тепловіддачі горизонтального циліндра у вертикальному каналі при термогравітаційній конвекції;— 

експериментально одержана узагальнена залежність , в якій коефіцієнт В враховує вплив геометричних розмірів ширини і висоти каналу, а показник ступеню n ,8 відповідає значенню n при поперечному вимушеному турбулентному обтіканні циліндра;— 

експериментально знайдені для різних висот каналу оптимальні його ширини, при яких досягається максимальна тепловіддача циліндра;— 

обгрунтовано доцільність інтенсифікації тепловіддачі циліндра шляхом встановлення в каналі в зоні розташування циліндра сегментних вставок. Для цього випадку експериментально одержані скореговані залежності для знаходження коефіцієнту В та оптимальної ширини каналу;— 

доведено, що при використанні модифікованого числа тепловіддача горизонтального циліндричного оребреного нагрівача в каналі в умовах термогравітаційної конвекції описується залежністю, аналогічною для тепловіддачі такої поверхні при поперечному обтіканні її в каналі в умовах вимушеного руху повітря;— 

розроблено методики інженерного розрахунку опалювальних конвекторів з кожухами.

Практичне значення одержаних результатів

Результати виконаної роботи використані при створенні нової конструкції опалювального конвектора, на який видано патент (Рішення на видачу патенту України № від 03.02.2000). Матеріали по розробках конструкції електроконвектора з сегментними вставками передані науково  виробничому підприємству “Елхіт” м. Київ для організації виробництва. Методика розрахунку водяних (парових) конвекторів з оребреним нагрівачем, розташованим в каналі, передана ВАТ “Київський санітарно-технічний завод” для використання при створенні нових конструкцій конвекторів. Уніфікований ряд типорозмірів електроконвекторів передано КППВІ “Київагропроект” для використання при виконанні проектних робіт.

Особистий внесок автора полягає в критичному аналізі науково-технічної і патентної літератури в галузі теплообміну в умовах термогравітаційної конвекції і опалювальної техніки, в обгрунтуванні мети та завдань досліджень, в розробці методик та виконанні експериментальних досліджень, науковому обгрунтуванні одержаних результатів, розробці методик розрахунків конвекторів з кожухами та конструкції електричного опалювального конвектора з інтенсифікованим теплообміном та підвищеними санітарно-гігієнічними показниками.

Апробація результатів роботи

Основні положення дисертаційної роботи викладені та обговорені на Міжнародній конференції “Проблеми промислової теплотехніки” (м. Київ, 24  30 травня 1999р.), на щорічних науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури у 1997–2000р., на науково-практичній конференції Херсонського технічного університету 1999р., на наукових семінарах кафедри теплотехніки і теплогазопостачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури.

Публікації

По темі дисертації опубліковано 4 роботи у фахових журналах.

Обсяг і структура дисертації

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних літературних джерел з 84 найменувань, 3 додатків, містить 143 сторінки тексту, 14 таблиць та 45 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність досліджень, направлених на зниження енерговитрат на опалення шляхом оптимізації і інтенсифікації малоінерційних приладів, до яких належать конвектори з кожухом; сформульована мета і задачі досліджень, обгрунтована наукова новизна та практична цінність роботи.

У першому розділі виконано аналіз сучасних теоретичних та експериментальних досліджень інженерних розробок опалювальних конвекторів. Проаналізовано конструкції електричних та водяних конвекторів з кожухом, виробництво яких у світі постійно зростає.

Широке використання, особливо електроконвекторів, обумовлено їх високою тепловою ефективністю, малою інерційністю, системою автоматичного регулювання тепловіддачі, автономністю і простотою конструкції. В основу конструкції покладено циліндричний нагрівач, який розташовано у вертикальному плоскому кожусі (каналі).

В результаті аналізу і лабораторних досліджень різних нагрівальних елементів встановлено, що найбільш доцільним є створення опалювальних конвекторів на базі вітчизняних трубчастих нагрівачів закритого типу (ТЕНів), які серійно виробляються, від 0,5 до 2,5кВт.

Як свідчить вітчизняний і зарубіжний досвід, тенденція розвитку конвекторів, особливо електричних, направлена на удосконалення і розробку, головним чином, нагрівачів і дизайну приладів, а аеродинамічним і теплотехнічним функціям кожуха (каналу), обгрунтуванню його геометричних розмірів і інтенсифікації теплообміну приділяється недостатньо увага.

Теоретичні і експериментальні дослідження теплообміну при розробці сучасних конвекторів значно відстають від темпів їх впровадження.

Вихідною науковою базою при створенні конвективних опалювальних приладів, є роботи Г.А.Остроумова, Б.С.Петухова, С.С.Кутателадзе, А.А.Гухмана, М.А.Міхеєва, В.П.Ісаченка, А.В.Ликова, Й.Джалурії, Т.Себісі, П.Бредшоу та інших вчених.

Завдяки дослідженням А.А.Жукаускаса, В.І.Сасіна, Е.С.Малкіна, А.А.Худенка, А.С.Варшавського, О.Г.Мартиненка, Ю.А.Соковишина та інших вчених розроблені основи розрахунку, конструювання і виготовлення опалювальних водяних і електричних конвекторів.

Дослідження Еленбааса, Д.Р.Бодойа, Д.Ф.Остерла, В.Т.Моргана, Е.М.Сперроу, Ж.Ф.Мастерса та багатьох інших авторів по теплообміну між нагрітими стінками каналу, горизонтального циліндра в необмеженому просторі, циліндра, що конструктивно з'єднаний з вертикальними пластинами в умовах природної конвекції, детально вивчені. У більшості викладених робіт теплообмінні процеси визначаються за допомогою залежності , що є обгрунтованим для випадку вільної конвекції при розгляданні циліндра в необмеженому просторі. Даних по тепловіддачі горизонтального циліндричного нагрівача, який розташовано в каналі, вкрай мало. Існуючі дослідження традиційно описуються числом Ra, котре не повністю відображає механізм руху в каналі і не враховує швидкість повітря, яка утворена каналом в умовах термогравітаційної конвекції.

Існуючі дослідження не дають можливості оптимізувати конструкції конвекторів з інтенсифікацією їх тепловіддачі і підвищенням санітарно-гігієнічних показників.

На основі проведеного аналізу сформульовано мету та задачі досліджень.

У другому розділі виконано аналітичні і експериментальні дослідження процесу теплообміну горизонтального циліндра в вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції. Вивчено механізм утворення і розвитку конвективних потоків у каналі з циліндричним нагрівачем, що дозволяє виділити у потоці по висоті каналу ділянки формування і стабілізації. Ці ділянки відрізняються характером руху, структурою потоку і інтенсивністю теплообміну між середовищем та тепловіддавальними поверхнями каналу.

Для вивчення теплового процесу з метою отримання аеродинамічних і теплотехнічних характеристик опалювального конвектора розглянемо систему рівнянь процесу тепловіддачі і гідравлічного опору.

Термогравітаційний напір, утворений каналом, дорівнює:

, Па (1)

де h  висота каналу, м; Твих; Твх  температура відповідно на виході і на вході в канал, К,

для повітря: .

Втрати наявного напору в каналі складають:

, Па (2)

де x  коефіцієнт місцевого опору; w  швидкість потоку, м/с.

Без великої похибки запишемо:

, Па (3)

Тепловий потік, переданий повітрю, при проходженні по каналу має вигляд:

,Вт (4)

де ¦кан  поперечний переріз каналу, м2; с  теплоємність повітря, Дж/кгЧК;

, Вт (5)

де Fц   поверхня циліндра, м2; А – коефіцієнт, що враховує долю конвективної тепловіддачі від стінок каналу повітрю в ньому (А ,08 – ,15), aк  коефіцієнт конвективної тепловіддачі, Вт/м2К.

Як показують результати досліджень, в інтервалі, що вивчається, можливо прийняти:

.

З спільного розглядання рівнянь (1), (2) знаходимо величину (Твих – Твх) через аеродинамічні і геометричні характеристики системи. Підставляючи одержане значення (Твих – Твх) в рівняння (4) і вирішуючи спільно(4) і (5), прирівнюючи їх праві частини, отримаємо вираз для визначення швидкості потоку на вході в канал від відомих аеродинамічних, теплових і геометричних характеристик системи:

, м/c (6)

для повітря

, м/c (7)

Режим обтікання циліндра робочою рідиною визначається режимом руху її в каналі. Вираз для модифікованого критерію Рейнольдса має вигляд:

, (8)

для повітря

. (9)

Тоді критеріальне рівняння тепловіддачі від горизонтального циліндра повітрю в каналі в умовах термогравітаційної конвекції приймає вигляд:

, (10)

де В – коефіцієнт пропорційності.

Вирішення системи балансових рівнянь процесу тепловіддачі і гідравлічного опору дозволило визначити середню швидкість повітря в каналі і модифіковане число .

Оскільки теоретична схема процесу теплообміну циліндра у вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції точно не описується, необхідні експериментальні дослідження.

Експериментальне вивчення теплообміну в каналі виконувалось при симетричному розташуванні нагрівача в нижній його зоні, і симетричному нагріві вертикальних стінок з відповідними співвідношеннями висоти і ширини.

Під час виконання досліджень зроблено такі припущення:

рух і теплообмін конвективного потоку в каналі не залежить від часу, тому процес вважається стаціонарним;

розглянуто теплообмін в каналі нескінченої довжини, таким чином задача зводиться до двомірної;

теплофізичні властивості рухомого середовища в каналі вважаються сталими.

Задачею експериментальних досліджень є уточнення механізму процесу конвективного теплообміну, визначення параметрів конвективних потоків і отримання критеріальних залежностей для розрахунку тепловіддачі горизонтального циліндричного нагрівача в залежності від висоти і ширини каналу.

Дослідна установка складалася з металевого каркасу – каналу, серійного електронагрівача, стабілізатора напруги, регулюючого автотрансформатора та контрольно-вимірювальних приладів. Стінки каналу мали можливість варіювати його ширину від 30 до 200 мм. Висота каналу в процесі експерименту змінювалась від 200 до 600 мм. Температури на поверхні нагрівача і внутрішнього теплового потоку між стінками каналу визначались хромель-копелевими термопарами, які розміщувались по розробленим схемам. Поле швидкостей у конвективному потоці каналу вимірювалось термоанемометром ЕА  . Для зниження променевої складової від теплонапружених поверхонь безпосередньо під каналом на відстані 120 мм від нагрівача встановлено екран з фольгованого алюмінію. Наявність такого екрану збільшує конвективну складову на 3,5 – 

Приклади результатів виміру швидкостей і температур для висоти 600 мм і ширини 75 мм наведено на рис.1, 2.

Результати вимірювання швидкостей повітря в каналі з оптимальними розмірами (рис.1) показують особливість теплових течій на початку ділянки формування потоку. Отримані деформовані профілі швидкісних полів на цій ділянці характеризуються впливом нагрівача і розмірів каналу на поперечне перенесення вихрових мас від завихрової зони кормової частини циліндра в обидва боки по ширині каналу від його осі. Оскільки рух конвективного потоку розповсюджується по дифузорному напрямку і прискорюється біля бокових поверхонь нагрівача, профіль швидкості на висоті Х  –  мм (4,6dц) визначається двома максимумами, які характеризуються найбільшою швидкістю до 0,9 м/с. При подальшому пересуванні повітряного потоку по висоті каналу для 600 і 400 мм, починаючи з Х і  мм профіль швидкості поступово вирівнюється і має сформований сталий характер з турбулентним режимом течії. При висоті каналу 200мм виразність профілю потоку залишається на стадії його формування майже по всій ділянці.

Розподіл температури повітря в каналі та на його поверхнях наведено на рис. . Якщо профілі швидкостей характеризуються двома максимумами в зоні формування потоку, то на температурному профілі найбільше значення до 150°С спостерігається по осі каналу при Х = 60 мм. Це явище справедливо для каналу різної висоти, в яких мінімальна швидкість відповідає максимальній температурі теплового потоку. В результаті теплообміну при турбулентному русі потоку в каналі висотою 600мм і шириною 75мм, температура повітря на виході вирівнюється і зберігається в середньому 45 –  °С. Максимальна температура на поверхні каналу спостерігається в зоні розташування ТЕНу на висоті 3  dц,, що особливо характерно для висоти каналу 200 мм, де швидкість знижується в 1,6 раза, в порівнянні з висотою 600мм, а температура на поверхні збільшується до 90  °С, що по санітарно-гігієнічним нормам не бажано. Отримані профілі швидкостей і температур повітря у вертикальному каналі з циліндричним нагрівачем при термогравітаційній конвекції за характером співпадають з аналогічними профілями для обтікання циліндра в каналі в умовах вимушеного турбулентного руху, що характеризує ідентичність протікання процесу тепловіддачі в цих випадках.

При обробці результатів експерименту виходили з того, що тепловіддача горизонтального циліндра в каналі в умовах термогравітаційної конвекції може розглядатися як тепловіддача в умовах вимушеного руху, спонуканням якого є канал, а рухома сила процесу залежить від тепловіддачі циліндра.

Результати експериментів по тепловіддачі циліндричного нагрівача в каналі оброблялись в такій послідовності:

1) в результаті експериментальних досліджень отримані значення температур і швидкостей конвективного теплового потоку для кожної фіксованої потужності ТЕНа в залежності від (tц -tвх), висоти і ширини каналу, по яким побудовано профілі;

2) конвективний тепловий потік визначався по формулі:

Qк=UI - Qпр, Вт (11)

де U і I  відповідно напруга на нагрівачі і сила струму, В, А; Qпр   тепловіддача випромінюванням, Вт;

3) середній коефіцієнт конвективної тепловіддачі для циліндра, що розташований в каналі, значення критерію Нусельта та результуючий потік випромінювання ТЕНу розраховувались по загально-відомих залежностях;

4) визначались оптимальні ширини каналу (b –ц)опт., при яких тепловіддача конвекцією при відповідних Q і h була б найбільшою;

5) В інтервалі ширини каналу від 50 до 200 мм, висоті 200; 400; 600 мм і потужності нагрівача від 0,1 до 2,0 кВт будувались графіки по залежностях:

, при (12)

, при (13)

де b – ширина каналу, м; dц – діаметр циліндра, м;

6) визначались узагальнені залежності від в дослідному інтервалі і у вигляді:

, при , (14)

, при ; (15)

7) будувались графіки узагальненої залежності (рис.3),

де В – коефіцієнт пропорційності, що враховує вплив висоти і ширини каналу на тепловіддачу

.

При обчислені критеріїв за визначальний лінійний розмір приймалися: зовнішній діаметр циліндра, швидкість і температура потоку, що набігає на нагрівач. Експериментальні дослідження виконувались в інтервалі різниці температур tц - tвх –446°С, висоти h ,2–0,6 м; ширини b ,05–0,2 м, значення Re* змінювались в межах 120–550, а показник ступеню n ,8, що відповідає значенню n в умовах поперечного обтікання одиночного циліндра при вимушеному турбулентному русі повітря.

Величина ширини bопт. з врахуванням діаметра циліндра для різних висот каналу h Ј  мм, при яких тепловіддача є максимальною, визначається по виразу

(16)

За цим виразом побудовано графік залежності висоти каналу від його оптимальної ширини з врахуванням діаметра циліндра.

Коефіцієнт В в критеріальному рівнянні визначається з наступних експериментальних залежностей:

при , (17)

при , (18)

де h; b; dц – відношення відповідних геометричних розмірів (висоти, ширини каналу і діаметра циліндра), до масштабу, що прийнято рівним 1м.

За рівняннями (17), (18) складено таблиці для визначення В в залежності від висоти і оптимальної ширини (b –ц)опт.

Виконані дослідження показали, що ширина та висота каналу, а також відстань нагрівача від нижньої кромки каналу впливають на інтенсивність конвективної тепловіддачі циліндричного нагрівача. Отримані результати досліджень визначили оптимальні геометричні розміри каналу, ширина якого складає 100, 87, 75 мм з відповідною висотою 200, 400, 600 мм. При цих розмірах конвективна тепловіддача нагрівача була максимальною, а температура на його поверхні мінімальною в інтервалі потужності від 0,1 до 2,0 кВт. Розміщення нагрівача по висоті каналу на рівні 2,0 – ,3dц збільшує швидкість потоку на 10 – в зоні його формування, знижує температуру на теплонапружених поверхнях, в порівнянні з розташуванням нагрівача на висоті 0,75dц.

Визначались абсолютні і відносні похибки приладів і вимірювань. Дана оцінка достовірності результатів експериментальних досліджень.

У третьому розділі наведено дослідження інтенсифікації конвективної тепловіддачі горизонтального циліндричного нагрівача шляхом встановлення вставок-екранів в каналі.

Особливість дослідної установки полягає в тому, що до внутрішніх вертикальних поверхонь каналу в нижній його частині передбачені сегментні вставки-екрани, які утворюють сполучену осьосиметричну конструкцію конфузорно-дифузорних елементів з криволінійними твірними. Циліндричний нагрівач розташовано між сегментами таким чином, що лобова його частина знаходиться на відстані 2  ,3dц від входу в канал. Нижня частина каналу завдяки еліптичності конфузору має плавний вхід для повітря, що особливо важливо при термогравітаційній конвекції. Висота екрану-вставки складає 4,6dц, що продиктовано експериментально отриманим розміром розташування нагрівача від нижньої кромки каналу. Застосування вставок, які спрямовують повітряний потік безпосередньо на теплонапружені поверхні, внесли корегування розміщення термопар і датчиків вимірювання швидкостей на ділянці формування потоку в каналі.

За результатами виконаних експериментальних досліджень знайдені ефективні геометричні розміри каналів з сегментними вставками 65х600(h); 75х400(h); 87х200(h), що на 13менше в порівнянні з отриманою шириною плоского каналу.

Для визначених розмірів каналів, при яких теплотехнічні показники з вставками уявляються найкращими, на рис. 4, 5 приведено приклади профілів швидкостей і температур. Якщо по якісних показниках ці профілі аналогічні для плоских каналів, то по кількісних відносних показниках, особливо в зоні формування потоку, наявність вставок збільшує швидкість і температуру теплового потоку. Для каналу розміром 65х600(h) в характерному перерізі по висоті Х мм (4,6 dц) на виході потоку після вставок середня температура складає 86°С, що на 13,9% більше в порівнянні з температурою в каналі без вставок; і на 9,7% температура потоку підвищилась при геометричних розмірах каналу 87х200(h). Що стосується температурного поля вертикальних стінок каналу, то максимальна температура завдяки вставкам-екранам не перевищує 80С замість 92С без вставок в зоні розташування ТЕНа.

Аналіз профілів швидкостей показує збереження тенденції деформації потоку на ділянці формування з вставками і без них. Середня швидкість потоку, який набігає, в зоні циліндричного нагрівача з вставками при Х = 25 мм на 11% більше в порівнянні з швидкістю потоку в цій зоні для плоского каналу. Максимальна швидкість на цій ділянці з 0,8м/с без вставок збільшилась до 1,1м/c після вставок, при цьому структура деформованого турбулентного руху не змінилась, і починаючи з Х і мм (11,5dц) профілі мають сформований сталий характер.

Застосування сегментних вставок-екранів потребує корегування критеріальних залежностей тепловіддачі горизонтального циліндра в каналі. В результаті розрахунку побудовано графік (рис. ) узагальненої залежності в дослідному інтервалі висоти (h ,2–0,6 м); ширини (b ,05–0,2 м) і різниці температур на поверхні циліндра і потоку повітря, що набігає на нього (tц - tвх) (53–442°С), значення Re* змінювались в межах 130–620.

Аналіз теплообміну горизонтального циліндра в вертикальному каналі із вставками показує збільшення тепловіддачі на 10,5%, в порівнянні з теплообміном в каналі без вставок.

Обробка результатів досліджень дозволяє визначити для кожної висоти каналу з вставками-екранами відповідне значення його ширини по залежності:

, (19)

де bў – відстань між сегментними вставками – екранами, м.

Значення коефіцієнта пропорційності В визначається по наступних виразах:

при ,(20)

при (21)

Показник ступеню n в критеріальному рівнянні зберігається рівним 0,8, як і у випадку плоского каналу, що збігається з показником для вимушеного турбулентного руху повітря.

У четвертому розділі представлені розробки схематичних рішень конвекторів з гладкими циліндричними нагрівачами на різних теплоносіях (вода, пара, електроенергія) та наведена методика їх розрахунків, що базується на використанні отриманих в роботі критеріальних рівнянь теплообміну горизонтального циліндричного нагрівача в каналі.

На основі експериментальних даних (розділи 2, 3) по визначенню оптимальної ширини каналу в залежності від його висоти і з урахуванням номенклатури ТЕНів вітчизняного виробництва розроблено ряд типорозмірів електроопалювальних конвекторів різних запропонованих схем. По відомій питомій теплопродуктивності на одиницю активної довжини зовнішньої стіни та допустимій висоті корпусу вибирають потрібний електроконвектор з розробленого ряду типорозмірів.

Для визначення конструктивних розмірів конвекторів з гладкими циліндричними нагрівачами з теплоносіями вода (пара) представлено методику розрахунку, який виконується в такій послідовності:

·

, Вт/м2К (22)

де

xвх;xц;xвих  коефіцієнти місцевих опорів на вході в конвектор, циліндричного нагрівача і на виході з конвектора.

Після перетворень отримаємо:

, Вт/м2К (23)

Для каналу довжиною 1м .

Визначивши aк, знаходимо a=aпрк ” (1,23ј1,5)aк;– 

по визначеному a знаходимо питому теплову потужність конвектора і розраховуємо довжину нагрівача L по формулі:

, м (24)

де Qрозр. – теплова потужність конвектора, Вт.

Результати цих розрахунків представлені у графіках залежностей довжини нагрівача від теплопродуктивності при різних значеннях Dt і dц.

По відомій питомій теплопродуктивності на одиницю довжини, по допустимій висоті труб нагрівача і використовуючи графік залежності довжини нагрівача від dц; DТ вибираємо схему гладкотрубного конвектора і його довжину.

Доведено можливість аналітичного розрахунку тепловіддачі оребреного нагрівача в каналі в умовах термогравітаційної конвекції по виразах для вимушеної конвекції, але з використанням модифікованого числа Re*. На основі розглядання системи рівнянь, що описують процеси гідродинамічного опору, отримано значення xнагр. через різницю температур повітря до і після нагрівача, яке введено в значення швидкості руху повітря в каналі в модифікованому числі Re*, з врахуванням ефективності ребра. Результати розрахунків за отриманою залежністю з точністю до 4збігаються з результатами експериментальних досліджень існуючих конвекторів з кожухами і оребреними нагрівачами.

На основі описаних методик розроблено електроконвектор, випробування якого проведено НВП “Елхіт”, а розрахунки конвекторів з оребреними нагрівачами передані інституту КППВІ “Київагропроект” для застосування при проектуванні систем опалення виробничих приміщень різного призначення.

Економічність і ефективність конвекторів, головним чином, досягаються за рахунок: зменшення геометричних розмірів корпусу без вставок в 1,6 разу, а застосування сегментних вставок-екранів в електроконвекторах дозволяє додатково зменшити ширину приладу в 1,15 рази і його масу до 5% в порівнянні з оптимальним розміром корпусу без вставок.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Досліджено механізм конвективної тепловіддачі горизонтального циліндра, розташованого у вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції. Сформульована система рівнянь теплообміну і гідравлічного опору в вертикальному каналі з горизонтальним циліндричним нагрівачем. Рішення рівнянь дозволило отримати модифікований критерій Re*. Показано, що для цих умов більш доцільно описувати процес теплообміну в каналі з циліндричним нагрівачем у вигляді , а не .

2. Експериментально отримана критеріальна залежність тепловіддачі горизонтального циліндру в каналі в умовах термогравітаційної конвекції у вигляді , яка по формі збігається з аналогічним виразом для умов вимушеної конвекції. Коефіцієнт В враховує вплив геометричних розмірів ширини і висоти каналу, а показник ступеню n=0,8, що за величиною збігається з показником n для вимушеного обтікання циліндра в каналі.

3. Експериментально визначені оптимальні розміри ширини і висоти каналу, при яких конвективна тепловіддача циліндричного нагрівача відповідає максимальній величині.

4. Результати розрахунків за отриманими залежностями та одержані в роботі експериментальні дані по тепловіддачі горизонтального циліндра в каналі збігаються з точністю до 5з експериментальними даними різних авторів.

5. Експериментально доведено, що корпус з оптимальною шириною дозволяє інтенсифікувати процес тепловіддачі до 4  6%, в порівнянні з існуючими конструкціями, а також знизити температуру поверхні нагрівача на 10  12°С, температуру корпусу на 4  6°С при максимальній тепловіддачі.

6. Додаткова інтенсифікація тепловіддачі циліндра в каналі досягається шляхом встановлення сегментних вставок-екранів в зоні розташування нагрівача, наявність яких дозволяє підвищити швидкість обтікання циліндричного нагрівача повітрям без суттєвого підвищення гідравлічного опору, що веде до збільшення його тепловіддачі на 10а також зменшення ширини каналу на 13і температури корпусу на 12°С.

7. Використання модифікованого критерію Re* дозволяє провести розрахунок оребрених нагрівачів в каналі в умовах термогравітаційної конвекції за відомими виразами для розрахунку тепловіддачі цих нагрівачів в умовах вимушеної конвекції.

8. Розроблено інженерні методики розрахунку конвекторів з гладкими та оребреними циліндричними нагрівачами при теплоносії вода (пара) з застосуванням модифікованого критерію Re*.

9. Подано ряд типорозмірів електроконвекторів, який охоплює широкий діапазон загальних питомих теплових навантажень.

10. Розроблено конструкцію електроконвектора з сегментними вставками, яка після проведення дослідно – промислових випробувань прийнята для виробництва дослідної партії науково-виробничим підприємством “Елхіт” м. Київ.

11. Запропонований ряд типорозмірів електроконвекторів та методика інженерного розрахунку конвекторів з теплоносіями вода (пара) передані інституту КППВІ “Київагропроект”. Система опалення з запропонованими конвекторами застосована при проектуванні виробничих приміщень та громадських будівель.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Малкин Э.С., Вышегородская Е.О., Фуртат И.Э. Теплоотдача располо-женного в вертикальном канале горизонтального цилиндра в условиях термогравитационной конвекции воздуха // Промышленная теплотехника. К.:  . - Т. , № 4  ,  С.   .

2. Малкин Э.С., Вышегородская Е.О., Фуртат И.Э. Теплоотдача горизонталь-ного цилиндра расположеного в вертикальном канале с конфузорно – дифузорной вставкой в условиях термогравитационной конвекции воздуха Весник Херсонского Государственного технического университета.  .  № (6).  С.323 - 328.

3. Малкін Е.С., Вишегородська О.О., Фуртат І.Е. Інженерна методика роз-рахунку опалювальних конвекторів з кожухами в умовах термогравітаційної конвекції. // Вісник Херсонського Державного технічного университету.  . – № (9).  С. 357  362.

4. Малкін Е.С., Вишегородська О.О. Електроопалювальний конвектор.  Будівельні матеріали, вироби і санітарна техніка.  2000.  №15.  С.117  .

АНОТАЦІЯ

Вышегородская Е.О. Интенсификация теплообмена в отопительных конвекторах в условиях термогравитационной конвекции.   Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 – вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2000.

Диссертация состоит из вступления, четырех разделов, основных выводов, списка использованных литературных источников из 84 наименований, 3 приложений, 14 таблиц и 45 рисунков.

Диссертация посвящена исследованию интенсификации теплообмена нагревателя в вертикальном канале в условиях термогравитационной конвекции с целью разработки отопительных конвекторов с повышенными теплотехническими и санитарно-гигиеническими показателями.

В работе дан анализ современных теоретических и экспериментальных исследований инженерных разработок отопительных конвекторов, проанализированы конструкции электрических и водяных конвекторов с кожухом, определены пути дальнейшего их усовершенствования, направленные на оптимизацию геометрических размеров.

Изучен механизм образования и развития конвективных потоков в плоском вертикальном канале с цилиндрическим нагревателем, которые характеризуются участками формирования и стабилизации, отличающимися характером движения, структурой потока и интенсивностью теплообмена между окружающей средой и теплоотдающими поверхностями.

В результате аналитических исследований решена система балансовых уравнений процесса теплоотдачи и гидравлического сопротивления, позволяющая определить среднюю скорость потока в канале и выражение модифицированного числа Re*.

Получены профили скоростей и температур воздуха в вертикальном канале с цилиндрическим нагревателем при термогравитационной конвекции, которые по характеру совпадают с аналогичными профилями обтекания цилиндра в канале в условиях вынужденного турбулентного движения, что характеризует идентичность протекания процесса теплоотдачи в этих случаях.

Проведена оптимизация геометрических размеров вертикальных плоских каналов, при которых теплоотдача от цилиндра была бы максимальной. Определено влияние ширины и высоты канала, расстояние размещения нагревателя от его нижней кромки на интенсивность конвективной теплоотдачи.

В результате обработки экспериментальных исследований получены уравнения для определения оптимальной ширины канала в зависимости от его высоты и диаметра цилиндра.

Предложено критериальное уравнение, которое более полно описывает конвективный процесс теплоотдачи, в котором показатель степени совпадает по величине с вынужденным обтеканием цилиндра в канале.

Обоснована целесообразность интенсификации теплоотдачи цилиндра путем установки сегментных вставок-экранов в зоне размещения нагревателя. Проведен сравнительный анализ полученных результатов исследований со вставками и без них, представлены изменения температур и скоростей движения воздуха при наличии вставок, соответственно скорректированы критериальные зависимости для расчета теплоотдачи горизонтального цилиндра в канале.

Наличие сегментных вставок-экранов позволяет уменьшить геометрические размеры корпуса, увеличить конвективную составляющую теплоотдачи от теплонапряженных поверхностей, снизить температуру этих поверхностей и отдельных зон канала.

На основе проведенных исследований разработан ряд типоразмеров электроконвекторов в широком диапазоне удельных тепловых нагрузок. Предложены инженерные методы расчета отопительных конвекторов с гладкими и оребренными цилиндрическими нагревателями с теплоносителями вода (пар).

Усовершенствование существующих и разработка новых конструкций конвекторов базируется на современных технико-экономических и санитарно-гигиенических требованиях. Разработаны схемы конвекторов с гладкими нагревателями и эффективными геометрическими размерами корпуса для систем водяного и парового отопления, которые применяются в общественных и производственных помещениях, особенно с повышенным выделением пыли.

Предложенный путь интенсификации отопительных приборов с цилиндрической формой нагревателя в вертикальном канале в условиях естественной конвекции может использоваться в различных областях техники, где происходит процесс охлаждения технологических трубопроводов в энергетических и химических установках, кабельных сетях, электронных приборах и т.д.

Экономичность и эффективность конвекторов, главным образом, достигаются за счет: уменьшения геометрических размеров корпуса в 1,3 раза, а применение сегментных вставок-экранов в электроконвекторах позволяет дополнительно уменьшить ширину прибора по сравнению с оптимальными размерами без вставок в 1,15 раза и массу до 5

Сведения, приведенные в диссертации, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: интенсификация, теплообмен, нагреватель, термогравитация, конвектор, плоский канал, вставка-экран.

Вишегородська О.О. Інтенсифікація теплообміну в опалювальних конвекторах в умовах термогравітаційної конвекції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03  вентиляція, освітлення та теплогазопостачання.  Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено дослідженню інтенсифікації теплообміну нагрівача в вертикальному каналі в умовах термогравітаційної конвекції з метою розробки опалювальних конвекторів з підвищеними теплотехнічними і санітарно-гігієнічними показниками. Експериментально одержана узагальнена залежність , в якій коефіцієнт В враховує вплив геометричних розмірів ширини і висоти каналу (кожуха), а показник ступеню n ,8 відповідає значенню n при поперечному вимушеному турбулентному обтіканні циліндра. Розроблено методики інженерного розрахунку опалювальних конвекторів з кожухами, наведено ряд типорозмірів опалювальних електроконвекторів.

Ключові слова: інтенсифікація, теплообмін, нагрівач, термогравітація, конвектор, плоский канал, вставка  екран.

Vyshegorodska О.О. Thermal exchange intensification in heating convectors under conditions of thermal and gravitational convection. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scienstific degree of the candidate of engineering science of a speciality 05.23.03  ventilation, illumination, heating and the gas supply. The Kiev National University of Construction and Architecture, Kiev, 2000.

The dissertation is devoted to research of thermal exchange intensification in a heater's vertical channel under conditions of thermal and gravitational convection with the aim of developing heating convectors of advanced thermal and sanitary parameters. The generalized dependence has been experimentally calculated and the factor В incorporates the impact of the channel/shell width and length geometrical dimensions and the decree parameter n ,8 meets the value n under the cross-forced turbulent flow of the cylinder. Methodologies of engineering calculation of heating shell convectors have been developed and here there is a list of standard-size heating electric convectors.

Key words: intensification, thermal exchange, a heater, a convector, a flat channel, insert – screen.