автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Увеличение эффективности теплообменников посредством интенсификации теплообмена на поверхностях со сферическими углублениями

На правах рукописи

Власеико Алексей Сергеевич

¿¿лот

УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТЯХ СО СФЕРИЧЕСКИМИ УГЛУБЛЕНИЯМИ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4856440

О з 711]

Москва-2011

4856440

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сергиевский Эдуард Дмитриевич кандидат технических наук, доцент

Глазов Василий Степанович доктор технических наук, профессор Яновский Леонид Самойлович

доктор технических наук, профессор Галактионов Валерий Витальевич

Ведущая организация:

Московский государственный университет леса (МГУЛ)

Защита диссертации состоится "24 " марта 2011 года в 15 часов 30 минут в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан: '^'^¿7^42011 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.10 к.т.н., доцент ^ Степанова Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Проблема разработки эффективных теплообменных аппаратов актуальна для любой сферы народного хозяйства - в промышленной энергетике, ЖКХ, транспортной, химической и др. отраслях.

Для улучшения характеристик теплоэнергетического оборудования необходимо разрабатывать новые конструкции теплообменных аппаратов, увеличивать эффективность теплообменных поверхностей, применять современные подходы к проектированию теплообменных аппаратов, создавать новые технологии их производства. Правильный выбор теплообменников и их теплообменных поверхностей представляется исключительно важной и актуальной задачей.

В промышленной теплоэнергетике наиболее распространены пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники. Поверхностные интенсификато-ры (шероховатость, выступы, и т.д.), которые в них используются при заметном увеличении коэффициента теплоотдачи ведут (за редкими исключениями) к более заметному росту коэффициенту сопротивления (т.е. росту перепада давления и, как следствие, росту мощности на прокачку). Повышение тепловой эффективности теплообмена на 30-40% ведет к росту сопротивления на 40-60%. В то же время такой способ интенсификации как нанесение поверхностных сферических углублений (лунок) выделяется заметным ростом коэффициента теплоотдачи, опережающим увеличение коэффициента сопротивления.

Вихревые способы интенсификации теплообмена, к которым относятся сферические лунки, является одним из самых перспективных, поскольку при его реализации возможен опережающий рост относительного коэффициента теплоотдачи по сравнению с ростом относительного коэффициента сопротивления.

Актуальность работы определяется также тем, что все ранее опубликованные работы по исследованию этого способа интенсификации выполнены либо для обтекания пластины (либо для канала с большой высотой), либо для очень узкого канала (с уже развитым режимом течения), поэтому в данной работе, в первую очередь, исследуются тепловые и гидродинамические характеристики при изменении высоты канала, а также оценивается влияние этого способа интенсификации на характеристики пластинчатых и кожухот-рубных теплообменников и выявляется влияние различных факторов, таких как: высота канала, степень турбулентности набегающего потока, расположение лунок, их глубина, продольное или поперечное обтекание те-плообменной поверхности.

Часть исследований, которые вошли в диссертацию были выполнены в рамках гранта РФФИ № 05-08-18265.

Целью работы является разработка метода расчета теплообменников промышленной теплоэнергетики (пластинчатых и трубчатых) в части ло-

кальных характеристик, коэффициентов теплоотдачи и оценка повышения их эффективности при нанесении полусферических лунок на теплопере-дающую поверхность. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования, состоящие из следующих частей:

• Исследование теплообмена в каналах с лунками на нижней поверхности методом регулярного теплового режима с использованием тепловизи-онной аппаратуры;

• Исследование структуры вихревых выносов из лунок в канале при различной его высоте методом дымовой визуализации.

• Определение потерь давления традиционными средствами измерения;

2. Проведение численного исследования каналов с лунками на нижней поверхности для оценки их влияния на теплообмен и гидравлическое со ■ противление. Сравнение полученных данных с результатами экспериментальных исследований.

3. Проведение расчетов сопряженной задачи для модели рабочего участка при развитом режиме течения и учете влияния начального участка с целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;

4. Получение обобщающих соотношений и проведение расчетов для двух типов теплообменных аппаратов, определение количественных данных по повышению их эффективности.

Научная новизна:

1. Впервые определено влияние таких факторов как степень турбулентности набегающего потока, высота канала, расположение и параметры лунок, а так же направление обтекания теплообменной поверхности на относительные коэффициенты теплоотдачи и гидродинамики. Это позволило установить зависимости для расчета относительных чисел Нуссельта и коэффициентов сопротивления, как для плоского канала, так и для поперечного обтекания трубы с лунками на её поверхности.

2. Адаптирован метод регулярного режима с помощью тепловизора ИРТИС-200 для поверхности с лунками и получены количественные результаты по коэффициентам Нуссельта с использованием этого метода при турбулентном режиме течения.

3. На основании проведенных экспериментальных визуальных данных и проведенных расчётов проанализирован механизм интенсификации теплообмена, заключающийся в образовании больших вихрей выносимых из области лунок в набегающий поток, которые могут приводить к увеличению коэффициента теплоотдачи.

4. Проведены расчёты сопряженной задачи и выявлено влияние материала пластины на распределение температуры на характеристики в канале с лунками.

5. Уточнены значения коэффициентов в пристенных функциях, с помощью которых можно находить значения коэффициентов теплообмена по локальным значениям температур при использовании вычислительного комплекса РНОЕМСБ.

6. Показан эффект при использовании поверхностей с углублениями на примерах пластинчатых теплообменниках, используемых в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) и трубчатых рекуператорах, используемых в схемах высокотемпературных установок (ВТУ) при проведении процессов плавления и варки стекла, что позволяет сэкономить металл при неизменном расходе топлива, либо при той же металлоёмкости аппарата сократить расход топлива.

Достоверность подтверждается удовлетворительной согласованностью расчётных и экспериментальных данных, применением современных экспериментальных методик и вычислительного комплекса РНОЕМСБ, а также удовлетворительным согласием результатов исследования с результатами других авторов.

Практическая ценность. Полученные в работе критериальные выражения удовлетворяют по точности инженерным требованиям и позволяют производить расчеты теплогидравлических параметров в пластинчатых теплообменниках ЖКХ, не прибегая к затратным экспериментальным методам. Предложены мероприятия по экономии природного газа в трубчатых рекуператорах, используемых при проведении плавильных процессов в схемах плавления и варки стекла, которые могут быть частично или полностью реализованы в других отраслях промышленности. Результаты работы используются при чтении курсов «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий» и «Математическое моделирование и оптимизация систем теплоснабжения и кондиционирования».

Основные положения, выносимые на защиту:

• результаты экспериментального исследования теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока в каналах разной высоты;

• результаты численного моделирования турбулентного течения и теп-лопереноса в каналах теплообменников с интенсифицированными поверхностями и расчеты сопряженной задачи на модели рабочего участка при развитом режиме течения и учете влияния начального участка с целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;

• зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в исследуемых теплообменниках;

• мероприятия по повышению эффективности теплообменного оборудования на базе проведенного исследования и оценка энерго- и ресурсосберегающего эффекта.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на II научной школе-конференции "Актуальные вопросы авиационных и аэрокосмических систем. Процессы, модели, эксперимент" НАН

Украины в 2004 году; IV национальной конференции по теплообхмену в 2006 году; III Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках в 2008 году» и XVI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2010 год.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 опубликованных работах, две из них в изданиях рекомендованных ВАК. Список указанных работ приведен на последней странице автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, состоящего из 85 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.

Г' /"А Т1' 11" I' А 11111' 1. 1 т - /Л т ■ ж

1,идьгл\апш1 глтлш

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе рассмотрен вопрос о теплообмене и гидравлическом сопротивлении в теплообменниках с интенсификацией теплообмена за счёт углублений. Проведен обзор литературных данных и анализ работ по проблеме исследования каналов теплообменников с интенсификацией теплообмена и методах расчета их теплогидравлических характеристик. Обзор литературы показывает, что расчет теплообмена и гидравлического сопротивления теплообменников с интенсифицированными поверхностями нагрева проводят преимущественно по эмпирическим зависимостям. В подавляющем большинстве случаев рекомендуемые расчетные формулы, получены по результатам экспериментов на опытных или находящихся в эксплуатации штатных установках.

Имеющиеся обобщенные зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в каналах таких теплообменников имеют разрозненный характер, неполнота информации по рациональной интенсификации теплообмена затрудняет разработку высокоэффективного оборудования такого типа.

В связи с этим сформулированы следующие задачи работы: 1) Проведение экспериментальных исследований при различной высоте канала и по структуре вихревых выносов из лунок; 2) Проведение расчетов сопряженной задачи на модели рабочего участка при начальном и развитом режиме течения с целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками; 3) Получение обобщающих соотношений; 4) Проведение расчетов для двух типов теплообменных аппаратов и определение количественных данных по повышению их эффективности; 5) Анализ поперечного обтекания пучка труб с нанесёнными на них лунками.

Во второй главе приводятся результаты экспериментального исследования по определению коэффициентов теплоотдачи,

.ЯаЁ- М

Выравнивающая камера ' , I

■ С'.- ■

■' 'Выравнивающие сетм 'ШШг^ (хонейко,нбы)

Рабошш участок со сменной пластиной

[Приборы управления \на?реваи и вентилятором

Приточньт вентилятор /11

гидравлического сопротивления и структуры потока. Физический эксперимент реализовывался на дозвуковой аэродинамической установке открытого типа, работающей на нагнетание. Схема установки представлена на рис. 1.

Тепловизор

1 - Вентилятор ти па ДВ- 1КМ;

2 - очистительный фильтр;

3 - гибкий шланг;

4 - выравнивающая камера;

5 _ гпп(п(гтсгкчтяи пйптртия;

6,7,9 - выравнивающие сетки; 8-сотовый выпрямитель потока:

10 - участок подготовки воздуха;

11 рабочий участок:

12 - электрический нагреватель;

13 - приборы управления нагревом.

Рис. 1. Экспериментальная установка

Объектом исследования являлся теплогидравлический процесс в канале, нижняя стенка которого содержала полусферические выемки (лунки). Параметры исследуемого канала, геометрические характеристики лунки и формулы для расчета её площади поверхности, объема и радиуса кривизны поверхности приведены на рис. 2.

Рис. 2 - Параметры рабочего канала (а) и полусферической выемки (б)

В качестве нижней стенки канала использовались пластины из разных материалов: алюминий, сталь, латунь, медь. Геометрические характеристики этих пластин с нанесенными полусферическими лунками на их поверхностях представлены в табл. 1.

Для определения относительного роста изменения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления за счет применения «луночных» интенсификаторов в эксперименте в качестве эталона использовались гладкие пластины.

Таблица 1 - Параметры пластин, профилированных полусферическими выемками

№ Шифр Размещение лунок Параметры лунки

в], мм 52, ММ в'г, мм И, мм Б, мм Ь, мм

1 ЩК-280х40х12.5-Л7 12/12 8/16 10/20 4.17 8 3

2 111-280x40x11.5-Л/ 12.2 16 17.12 4.73 8.8 3

3 К-280х40х10-СтЗ 10 17 19.7 8 3

4 К-280х40х11.4-Ст 10.4 10.4 14.71 4.42 8.6 3.4

5 Ш-480х60х12-Ст 9.8 10 11.1 4.1 8.2 4.1

б К-480х60х12-Ст 9.8 10 14.0 4.1 8.2 4.1

Исследования проводились при высотах канала: 0,08; 0,04 и 0,015 м и скоростях потока на входе 6, 8 и 15 м/с. При этом числа Рейнольдса, рассчитанные по характерному расстоянию от входа в канал до центра первого ряда лунок, лежали в диапазоне от 6000 до 200000. В нижней части рабочего участка находился плоский источник теплоты мощностью в 50 Вт.

Методика проведения эксперимента по определению коэффициентов теплоотдачи.

Для определения коэффициентов теплоотдачи в работе адаптирован метод регулярного теплового режима, в соответствии с которым определяется темп охлаждения предварительно нагретой нижней стенки канала. Суть метода заключается в расчете коэффициента теплоотдачи, исходя из темпа охлаждения пластин Для определения поля температуры на поверхности пластины Ти был использован тепловизионный комплекс ИРТИС-200 и соответствующее программное обеспечение. Тарировка тепловизионного метода была проведена ранее в работе'. На рис. 3 представлены тепловизионньге снимки нижней стенки канала при разной его высоте и схем расположения поверхностных интенсификаторов - полусферических выемок (лунок).

Из полученных экспериментальных данных видно, что на пластине образуются зоны с повышенными и пониженными температурами. В передней части лунки (по потоку) заметно повышение температуры, в то время как в задней части и за лункой температура уменьшается. Такая картина повторяется от лунки к лунке, также можно отметить эффект влияния предыдущих лунок на последующие. Кроме того, при наличии лунок осреднённая температура потока оказалась выше, чем для гладкой поверхности. Данный факт можно объяснить выносом тепла из лунок в общий поток.

Полученные по методу регулярного режима коэффициенты теплоотдачи при различной высоте канала представлены в табл. 2. В эксперименте температура и скорость воздуха на входе в канал были равны 22 °С и 6 м/с, соответственно.

1 - Маскинская А.Ю. Повышение эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплообмена на поверхности с лунками / Автореферат дисс. к.т.н. - М.: МЭИ, 2004, 20 с.

Рис. 3 — Термограммы исследуемых пластин при разных высотах прямоугольного канала

Пластина Высота канала, м Относительный коэффициент теплоотдачи, а/агя

К-280х40х11.4-Ст 0,08 1,35

К-280х40х11.4-Ст 0,04 1,6

К-280х40х11.4-Ст 0,015 2,25

Определение потерь давления и гидравлического сопротивления.

Измерения давления производились с помощью трубок Пито, которые были установлены на входе и выходе из канала. Трубки Пито были присоединены к жидкостному микроманометру ММН-240(5)-1,0, с помощью которого определялся перепад статических давлений на входе и выходе из канала.

На основе сравнения полученных теплогидравлических характеристик с аналогичными характеристиками для гладкого канала было установлено, что максимальная степень интенсификации теплообмена составила 2 раза.

Измерения соотношения перепадов давления (АРЛ / АР™) для оценки роста гидравлического сопротивления при наличии лунок были выполнены при двух высотах канала: 8 и 1,5 см и составили 1,17 и 1,3, соответственно.

Обобщенные зависимости.

Для оценки коэффициента теплоотдачи и сопротивления на начальном участке в канале установлены следующие зависимости, в которые входит не только отношение глубины к диаметру лунки, но и степень турбулентности потока:

^ = (1) ^=[1+3.(^^4(1-^). (2)

Сопоставление результатов этих зависимостей с экспериментом по отношению коэффициентов теплоотдачи составляют 2,7%, а по отношению перепадов давлений 1.7 %. Таким образом, при степени турбулентности Тц = 5 % имеем Л^/Л^0=1.42 и ДР/ДРа =1.19. При больших степенях турбулентности - 10-5-15 % коэффициенты теплоотдачи на поверхности с лунками и без них практически равны.

Для развитого режима течения в канале при отношении высоты канала к диаметру лунки НЮ < 5 можно воспользоваться следующими соотношениями

Ми 'Ни. = [1 + 5 ■ {ё Л)" [ (Я О)'03, (3) £ = [1 + 3 • {8 ЪУ ]• {Н О)-03. (4)

Эти соотношения были получены в результате обработки экспериментальных данных. Погрешность аппроксимации не более 3 %. В приведенных зависимостях не учитывается взаимное расположение лунок, т.к. из экспериментальных исследований найден узкий диапазон продольных ^ и поперечных Бг шагов между лунками, в котором интенсификация теплообмена является наиболее эффективной, при этом 5] = 5г= (1.5^2)1).

Дымовая визуализация структуры потока в канале

Целью данного исследования было определение картины течения и вихреобразования в каналах с траншеями или лунками на нижней поверхности, что позволяет лучше представить картину о механизме переноса (выноса тепла из лунок в поток теплоносителя) тепла и импульса в этих каналах.

Методом исследования была выбрана дымовая визуализация. Дым вдувался в канал от пылесоса (марка «Вихрь»), который работал на нагнетание. Опыты были проведены при числах Яе-ЗООО.

Для регистрации картины визуализации была использована цифровая видео и фотоаппаратура. Это позволило не только получить картину течения, но и зафиксировать ее изменение во времени. Так было установлено, что течение в каналах с интенсификаторами сопровождается смерчеобраз-ными выносами в поток из углублений в пластинах. Данное обстоятельство подтверждается работами и для глубоких лунок.

При малых скоростях потока период существования вихря в полусферическом углублении (размерами 8x4) составляет около одной секунды, а в случае применения траншейных интенсификаторов - примерно 3 секунды. Как следует из полученных данных в случае траншей время нарастания и выброса вихря превышает время течения над поверхностью и выбросы нагретой жидкости мало влияют на среднемассовую температуру и на увеличение коэффициента теплоотдачи. В случае лунок время нарастания и выброса уже меньше времени течения при тех же малых скоростях и они уже существенно сказываются на увеличение среднемассовой температуры и на увеличение коэффициента теплоотдачи (в случае траншей а/а0=1.26 и 1.35 для лунок при высоте канала одинаковой для обоих случаев и равной 8 см).

На рис. 4 представлены фотоснимки течения визуализированного дымом потока на рабочих пластинах с различным рельефом.

• и к - 15

Рис. 4 - Фотосъемки течения потока в канале с интенсификаторами: а - траншеи [Мусин И.Р.], б - лунки [автор], в - лунки [Ligrani P.M.]

В третьей главе приведены результаты расчетов сопряженной задачи на модели рабочего участка при начальном и развитом режиме течения с

целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками. Для этого в вычислительном комплексе РНОЕМСБ была создана модель течения воздуха в прямоугольном канале с геометрическими и физическими характеристиками близкими к экспериментальным.

Рис. 5 - Рабочий участок, смоделированный в PHOENICs

При моделировании теплогидродинамического процесса в исследуемом канале использовалось обобщенное уравнение

+ div(pj -у ГФГГФГ grad(0,)) = Si (5)

где Ф, - любая переменная z-ой фазы, такая как: энтальпия, массовая доля химической компоненты, энергия турбулентности и т.д.; V\ - вектор скорости г-ой фазы; Гф, - диффузионный коэффициент свойства Ф в ¿-ой фазе; S\ - источник свойства Ф.

Для замыкания системы использовалась стандартная к-£ модель турбулентности. В результате численного моделирования было получено распределение скорости, давления и температуры по длине, ширине и высоте канала. По полученным профилям скоростей и температур были проведены расчеты коэффициента теплоотдачи с помощью анализа пристенных функций SKIN и STAN, характеризующих процессы теплообмена в пристенной области.

На рис. 6 приведено распределение температур по высоте рабочего участка при различной ширине канала и материала его нижней стенки.

Численные решения сопряженной задачи показали, что в лунке образуются устойчивые отрывные зоны в передней (по потоку) части лунки, а часть нагретой у стенки жидкости выносятся в виде струй в набегающий поток. В области лунки образуются два вихря вращающиеся в противоположные стороны, на срезе лунки нагретый воздух из глубины лунки выносится в основной поток под некоторым углом.

Распределение температуры по поверхности лунки и в её окрестности имеет более неравномерный характер при меньшем коэффициенте теплопроводности. Однако относительный коэффициент теплоотдачи меняется незначительно, что, по-видимому, связано с определяющим влиянием изменения гидродинамики течения в окрестности лунок.

б)

Рис. 6 - Распределение температуры по высоте рабочего участка: 1 - в изоляции, 2- в материале от нагревателя до пластины, 3- в материале пластины (а - алюминий, б - асбест), 4- в области лунки

Несмотря на то, что в экспериментальной работе был рассмотрен более узкий канал и в качестве характерного ряда лунок исследовался 27 ряд, а не 8 как в случае математического моделирования, можно отметить, что отношения коэффициентов теплоотдачи для экспериментально и численного случая в центре самой лунки близки между собой, и качественно одинаково отражают изменение коэффициента теплоотдачи по рассматриваемому сечению по ширине пластины.

Расчёты, выполненные в вычислительном комплексе PHOENICs с использованием стандартной k-s модели и стандартных пристенных функции позволили выяснить, что при уменьшении высоты канала в диапазоне от 8 до 1,5 см коэффициент относительной теплоотдачи возрастает от 1,12 до 1,86, а перепад давления - от 1,17 до 1,3.

Рис. 7 - Поле скорости в продольно-центральном сечении канала при Ьк/ёл =5

Таким образом, результаты численных исследований, выполненных в среде PHOENICS, качественно согласуются с экспериментальными данными.

В соответствии с классическим представлением о турбулентном пограничном слое в нём выделяется ряд областей, характеризуемые различным уровнем проявления молекулярной вязкости - вязкий (или ламинарный) подслой, буферная (или переходная) область, область турбулентного ядра (область с логарифмическим законом изменения скорости) и внешняя область пограничного слоя (область следа).

Однако, согласно экспериментальным данным Репика Е.У и Соседко Ю.П. 2 вязкий подслой состоит из периодически нарастающих и разрушающихся участков ламинарного подслоя, причём толщина этих элементарных слоев регулируется некоторым механизмом неустойчивости. Авторы, предполагают, что процессы, происходящие при разрушении подслоя и при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному режиму, количественно характеризуются похожими закономерностями.

Если это так, то размер вихрей, образующихся при разрушении подслоя, определяется числом Рейнольдса, вычисленным по толщине потери импульса Re **. Значит, согласно схеме течения (рис.2.4)3, размер вихрей в области площадки dS формируется под действием градиента скорости вихрей, приходящих в область площадки, при безотрывном обтекании препятствия и вихрей за счёт нестационарных выбросов из области препятствия при отрывном характере течения в этой области. Размер вихрей %в при этом характеризуется величиной %„= % • у (Re**). При отсутствии лунок хв =Х = 0.4, а при их наличии меняется в диапазоне 1+1,25 в области Re**<6000.

2 - Исследование прерывистой структуры течения в пристенной обдасти турбулентного пограничного слоя. Репик Е.У., Соседко Ю.П.-Сб. «Турбулентные течения». Издательство «Наука» с. 172-184

3 - Модель турбулентности в пристенных потоках при наличии внешних воздействий/ Тр. МЭИ, вып. 690, с.17-26/Э.Д.Сергиевский, В.П. Мотулевич, 1983

Это приводит к изменению выражений в числителе для пристенных функций Stan, Skin, что эквивалентно росту безразмерных коэффициентов трения и теплообмена.

1 не. и. илпяпис высоты какала с «олукскнои» ппжпси стснкои ка коз^и^ици-

ент теплоотдачи по результатам эксперимента и численного моделирования

На рис. 8 сопоставлены значения относительного коэффициента теплоотдачи в зависимости от относительной высоты канала, полученные экспериментально (табл. 2) и в ходе математического моделирования в среде PHOENICS с использованием стандартных и модифицированных пристенных функций SKIN и STAN. Красными маркерами (кружками) отмечены величины соответствующие экспериментальным данным, а непрерывной линией - аппроксимационная зависимость (3). Коричневые и синие маркеры (треугольники и квадраты) - значения относительных величин соответствующие результатам расчета по стандартным и модифицированным функциям SKIN и STAN.

Погрешность описания теплоотдачи по зависимости (3) не превышает 3%, а моделирование с использованием модифицированных пристенных функций SKIN и STAN -11%. Такой результат моделирования можно признать удовлетворительным, поскольку отклонение полученных значений при использовании модифицированных функций SKIN и STAN оказалась сопоставимым с 12 % погрешностью расчета по методу регулярного режима, выполненного по экспериментальным данным.

В четвертой главе рассмотрено применение луночных рельефов в теп-лообменных аппаратах промышленной теплоэнергетики. Рассмотрены два типа теплообменных аппаратов: пластинчатый и кожухотрубный. Для каждого типа теплообменника сопоставляются гладкая поверхность и поверхность с нанесённым луночным рельефом и делается вывод об эффективности использования последних.

Расчет воздухо-воздушного пластинчатого теплообменника. В последние годы на Российском рынке появились предложения по использованию теплообменников типа НХЕ со сварными касетами НЕАТЕХ "МА-ШИМПЭКС", которые содержат пластины с выштампованными регулярными лунками. По заверению производителя, достоинством данного авппарата

'0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H/D 12 Расчет по стандартный (А) и модифицированным (■) функциям SKIN и STAN, Эксперимент^), Аппроксимация;—)

является простота конструкции и полный доступ к поверхностям теплообмена, а также то, что габаритный размер такого теплообменника составляет 30-50% от размера кожухотрубного теплообменника с теми же характеристиками.

Из открытых публикаций известно (и результаты наших исследований подтверждают это), что особый рельеф поверхности с лунками обеспечивает наилучшее соотношение теплопередачи к сопротивлению. Однако нет информации о методах расчета теплообменников, учитывающих не только геометрию (форму) канала и интенсификаторов, а и их размеры в широком диапазоне возможных соотношений. Поэтому невозможно на этапе проектирования провести сравнение между аппаратами, выбрать лучший вариант в соответствии с предполагаемыми условиями их эксплуатации.

Опираясь на результаты наших исследований (по лункам) и Попова И.А. (по выступам)4, был выполнен расчет противоточного пластинчатого теплообменника-утилизатора для системы кондиционирования воздуха. Полученные данные были сопоставлены с характеристиками того же теплообменника, но без интенсификаторов. В расчете лунки были обращены в сторону холодного теплоносителя, имеющего наименьшее значение коэффициента теплоотдачи для теплообменника без лунок.

Установлено, что эффективность противоточного воздухо-воздушного пластинчатого теплообменника с интенсификаторами типа «лунки-выступы» равна е = 0.61, в то время как эффективность этого же аппарата без интенсификаторов составила е = 0. 36.

Так же была решена задача по определению количества сэкономленного тепла за год в результате применения теплообменника с луночными интенсификаторами в место теполообменного аппарата без интенсификаторов. При определении этой величины производился поверочный расчет теплооб-менных аппаратов при известных значениях коэффициентов теплопередачи, площадях теплообмена и температурах на входе в теплообменный аппарат.

Таблица 3 - Ежемесячная экономия тепла в отопительном сезоне

Период работы теплообменного аппарата Средняя температура воздуха, °С Экономия теплоты за счет использования интенсификаторов в ТА

Д<5'Т, ГДж АС}, кВт

Январь -10.2 69.29 25.87

Февраль -9.2 60.75 25.11

Март -4.3 57.35 21.41

Апрель 4.4 38.45 14.83

Октябрь 4.3 39.94 14.91

Ноябрь -1.9 50.80 19.60

Декабрь -7.3 63.42 23.68

Итого 380 145.41

4 - Попов И.А. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования при вынужденном и свобод-поконвективном движении теплоносителей / Автореферат док. дисс.-К.: Казань, 2008, 40 с

В табл. 3 сведены данные расчета количества сэкономленного тепла для каждого месяца отопительного сезона.

Расчет рекуператора для ВТУ. Внешний вид исследуемого кожухот-рубчатого теплообменного аппарата и его положение в блочной схеме ВТУ представлено на рис. 9.

Рассмотрен случай, когда рекуператор обогревается дымовыми газами от камеры сгорания. Дымовые газы протекают в межтрубном пространстве, а воздух течет внутри труб рекуперативного теплообменника. Поскольку при нанесении лунок на теплообменные поверхности образуются выступы, необходимы выражения, которые учитывают данный факт при расчете теплообменника.

При течении внутри труб с выступами коэффициенты теплоотдачи и сопротивления можно рассчитать по данным Мунябина К.Л.3 Что же касается полусферических углублений, то среди работ, посвященных исследованию теплоотдачи в пучках труб с поверхностными интенсификаторами в виде лунок, нам известна работа Я. Чудновского и А. Козлова6. В ней представлены результаты экспериментальных исследований по теплоотдаче шахматного пучка «олуненных» труб при поперечном их обтекании. К сожалению, в этих работах отсутствуют эмпирические выражения, позволяющие количественно определять величину коэффициентов теплоотдачи и сопротивления в зависимости от параметров пучка и используемых интенси-фикаторов.

Обработка данных эксперимента этих авторов состояла в преобразовании графической информации в цифровую и представлении последней в виде матрицы КЧу6 = Ш-(Лъ/А) и вектора Яе,, данных.

В процессе аппроксимации табулированных данных были получены следующие зависимости:

5 - Мунябин К.Л. Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы, Волжская государственная академия водного транспорта, Н. Новгород. Теплофизика и аэромеханика, 2003, № 2, с. 235-246

6 - Chudnovsky Y., Kurek S., Kozlov A. Dimpled tube technology for heat transfer enhancement in chemical industry process heaters. Presentation to "Natural Gas Technologies II" Conference, 9-11* February, 2003. GTI (USA), 2003. T04117. 10 p.

Рис. 9 - Кожухотрубный теплообменный аппарат

0.352-Re06'3 - для пучка труб с глубокими лунками (Ь/Ол = 0,373), 0.407-Re"6,4 - для пучка труб с глубокими лунками и узкими каналами, 1.734-Re0454 - для пучка труб с мелкими лунками (МЗЛ = 0,085), 0.811 • Re0 581 - для пучка труб с мелкими лунками и узкими каналами.

На рис.10 представлен пример такой аппроксимации

¿i* Deep <!implcs - Чудновскнй Я., Козлов А,

Deep dimples - аппроксимация — Гладкие трубы - Жукаускас (aV-2)

Ко,

Чуп

0 Ы0! Зх10! SxI0j pxio* 7»t03

Рис. 10 - Экспериментальные и расчетные данные по теплоотдаче шахматного пучка труб с глубокими лунками

Расчет теплоотдачи шахматных пучков при поперечном их обтекании проводился по методике А.А. Жукаускаса. Параметры луночных интенси-фикаторов при коридорном их расположение приведены в табл. 4.

Таблица 4 - Характеристики луночных интенсификаторов

Ьл,м Глубина лунки 0,002

da, м Внутренний диаметр трубы 0,098

р,м Расстояние между центрами лунок 0,018

D, м Диаметр лунок 0,010

N Количество рядов с лунками 4

Результаты выполненного расчета представлены в табл. 5. Таблица 5 - Результаты расчета теплообменных характеристик трубного пучка

Вид обтекания и пнтенсифнкатор «1, |ВТ/М5К] В2, [ВТ/М-К] к, [Вт/м!К] Н. К] Ь, [м]

36.0 78.5 17.3 337.8 11.1

1 ----V 36.0 59.1 22.4 261.3 8.6

50.S 63.4 28.2 207.2 6.8

s -IDjs =1.5D

50.8 18657 237.42 2755 29.27 209.2 199.6 6.9 6.6

Таким образом, при увеличении коэффициента теплоотдачи можно уменьшить габариты кожухотрубных теплообменников. Однако если оставить геометрические характеристики теплообменника без изменений, то в этом случае увеличение коэффициента теплоотдачи приведет к уменьшению логарифмического температурного напора.

Для конвективного теплообменника без лунок коэффициент теплопередачи составит к=17.3 Вт/м2К, а при применении интенсификаторов типа «лунка-выступ» он увеличится до кл = 20.8 Вт/м2К. В этом случае температурный напор снизится с 745 °С до 620 °С, температура воздуха на выходе из рекуператора возрастет с 1,2 =500°С до ^ = 713 °С и расход топлива уменьшится с В[ = 0.6186 м3/с до В2 = 0.528 м3/с. Таким образом, годовая экономия топлива при 7500 часов работы установки в год составит

ДД,„ = (0.6186 - 0.5280) • 7500 • 3600 = 2446.2 ТЫС. М3/год,

или

Окон = (дг„„ / В„л)• 100% = (2446.2/16702.2) • 100 = 14.6% расхода топлива.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые экспериментально с помощью тепловизора ИРТИС-200 определено влияние высоты канала, степени турбулентности набегающего потока, расположения и параметров лунок на теплообменные характеристики в канале. Это позволило установить зависимости для расчета относительных чисел Нуссельта и коэффициентов сопротивления для плоского канала.

2. Адаптирован метод регулярного режима с помощью тепловизора ИРТИС-200 для поверхности с лунками и получены количественные результаты по коэффициентам Нуссельта с использованием этого метода при турбулентном режиме течения. Установлено, что в канале высотой 8 см наличие лунок на нижней стенке увеличивает коэффициент теплоотдачи в 1.35 раза по сравнению с гладким каналом. Для каналов высотой 4 и 1.5 см эта величина соответствует значениям 1.85 и 2.25 раза.

3. С помощью вычислительной программы РНОЕМСЗ смоделирован рабочий участок экспериментальной установки и проведены расчеты сопряженной задачи по определению скоростей, температур и перепаду давлений в канале с лунками и без них в режимных параметрах, отвечающих условиям натурного эксперимента.

4. Сопоставление экспериментальных и численных данных в исследо-ваннном диапазоне высот канала показало, что значения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления отличаются на 8-12 %.

5. Проведено обобщение экспериментальных данных для плоских каналов с поверхностными интенсификаторами в виде полусферических выемок, а также пучков труб при поперечном их обтекании. В результате получены новые эмпирические выражения для расчета относительных коэф-

фициентов теплоотдачи и сопротивления в зависимости от степени турбулентности набегающего потока, относительной глубины лунок и каналов с учетом начального участка и развитого режима течения теплоносителя.

6. На основании полученных данных проведена оценка увеличения эффективности и уменьшения габаритов пластинчатых теплообменников, применяемых в системах кондиционирования. Показано, что при использовании «луночных» интенсификаторов в кожухотрубном рекуператоре возможно уменьшение его габаритов при сохранении расхода топлива и степени подогрева воздуха (по сравнению с гладкими трубами). Либо - увеличение подогрева воздуха при неизменных геометрических параметрах рекуператора снижает расход топлива

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д., Власенко A.C. Повышение эффективности теплообменника - рекуператора путем нанесения лунок на поверхность труб // Вторая научная школа-конференция "Актуальные вопросы авиационных и аэрокосмических систем. Процессы, модели, эксперимент" HAH Украины, Тез. докл. - Алушта. - 2004. -С. 149-151.

2. Власенко A.C., Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д. Сопряженный теплообмен в канале с лунками на нижней поверхности // Труды IV национальной конференции по теплообмену: в 8 томах - М., -2006. -Т.8. -С.45-47

3. Патент на полезную модель № - 73461. теплообменная труба. Авторы: Сергиевский Э.Д., Крылов А.Н., Власенко A.C. Опубликовано: 20.05.2008 Бюл. №-14

4. Арбатский A.A., Власенко A.C., Сергиевский Э.Д. Влияние высоты канала с лунками на нижней поверхности на теплогидродинамические характеристики // Вестник МЭИ. -2008. -№ 2. -С.30-32.

5. Сергиевский Э.Д., Арбатский A.A., Власенко A.C. Интенсификация теплообмена путем нанесения лунок на теплообменную поверхность // Третья Международная конференция. Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Тез. докл. -М., Издат. дом МЭИ, - 2008. - С. 140-141.

6. Власенко A.C., Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Поверхностные ин-тенсификаторы в теплообменниках // Молочная промышленность. -2009. -№5. -С.16-18.

7. Власенко A.C., Гасилин Н.С., Сергиевский Э.Д. Расчет радиационного теплообменника рекуператора стекловаренной печи с интенсификаторами на внутренней поверхности труб // Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 418-419.

Подписано в печать Зак. 30 Тир. W П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ.

2.1 Задача и объект исследования.

2.2 Описание экспериментальной установки.

2.3 Методика экспериментальных исследований и результаты.

2.4 Обработка и анализ экспериментальных данных.

2.5 Визуализация течения и анализ механизмов возникновения интенсификации.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ В КАНАЛЕ С ЛУНКАМИ.

3.1 Модели канала и процесса в среде РНОЕМСЗ.

3.2 Результаты расчета при разных материалах пластины.

3.3 Модель с модифицированными пристенными функциями.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛУНОЧНЫХ РЕЛЬЕФОВ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ.

4.1 Подготовка исходных данных и обобщающих зависимостей для расчета пластинчатого теплообменника-утилизатора с интенсификаторами для системы кондиционирования воздуха.

4.2 Расчет пластинчатого теплообменника-утилизатора с интенсификаторами «лункавыступ» для системы кондиционирования воздуха.

4.3. Годовая экономия тепла за счет применения поверхностных интенсификаторов типа «лунка-выступ».

4.4 Расчёт рекуператора для ВТУ.

Проблема разработки эффективных теплообменных аппаратов актуальна для любой сферы народного хозяйства - в промышленной энергетике, ЖКХ, транспортной; химической и др. отраслях. Для улучшения характеристик теплоэнергетического оборудования' необходимо разрабатывать новые конструкции теплообменных аппаратов, увеличивать эффективность тепло-обменных поверхностей, применять современные подходы к проектированию теплообменных аппаратов, создавать новые технологии их производства. В промышленной теплоэнергетике наиболее распространены пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники. Поверхностные интенсификато-ры (шероховатость, выступы, и т.д.), которые в них используются при заметном увеличении коэффициента теплоотдачи ведут (за редкими исключениями) к более заметному росту коэффициенту сопротивления (т.е. росту перепада давления и, как следствие, росту мощности на прокачку). Повышение тепловой эффективности теплообмена на 30-40% ведет к росту сопротивления на 40-60%. В то же время такой способ интенсификации как нанесение поверхностных сферических углублений (лунок) выделяется заметным ростом коэффициента теплоотдачи, опережающим увеличение коэффициента сопротивления. Вихревые способы интенсификации теплообмена, к которым относятся сферические лунки, является одним из самых перспективных, поскольку при его реализации возможен опережающий рост относительного коэффициента теплоотдачи по сравнению с ростом относительного коэффициента сопротивления [1]. Выступы и короткие или гофрированные рёбра тоже относятся к вихревым способам интенсификации теплообмена, однако по сравнению с лунками имеют меньшую степень интенсификации.

Актуальность работы определяется также тем, что все ранее опубликованные работы по исследованию этого способа интенсификации выполнены либо для обтекания пластины (либо для канала с большой высотой), либо для очень узкого канала (с уже развитым режимом течения), поэтому в данной работе, в первую очередь, исследуются тепловые и гидродинамические характеристики при изменении высоты канала, а также оценивается влияние этого способа интенсификации на характеристики* пластинчатыхи-кожухот-рубных теплообменников и выявляется влияние различных факторов, таких как: высота канала, степень турбулентности набегающего потока, расположение лунок, их глубина, продольное или поперечное обтекание теплооб-менной поверхности.

Часть научных исследований диссертации были выполнены в рамках гранта-РФФИ №05-08-18265.

Целью работыявляется разработка метода расчета теплообменников промышленной теплоэнергетики (пластинчатых и трубчатых) в части локальных характеристик, коэффициентов теплоотдачи и оценка повышения их эффективности при нанесении лунок на теплопередающую поверхность. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Провести экспериментальные исследования ^ состоящих из следующих частей:

• Исследование теплообмена в каналах с лунками на нижней поверхности методом регулярного теплового режима с использованием тепловизион-ной аппаратуры;

• Исследование структуры' вихревых выносов из лунок в каналепри различной его высоте методом дымовой визуализации.

• Определение потерь давления традиционными средствами измерения;

2. Проведение численного исследования каналов с лунками на нижней поверхности для оценки их влияния на теплообмен и гидравлическое сопротивление. Сравнение полученных данных с результатами экспериментальных исследований.

3. Проведение расчетов сопряженной задачи для модели рабочего участка при начальном и развитом режиме течения с целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;

4. Получение обобщающих соотношений и проведение расчетов, для двух типов теплообменных аппаратов, определение количественных данных по повышению их эффективности. Определение факторов, влияющих на теп-логидравлическую эффективность теплообменников.

Научная новизна:

1. Впервые определено влияние таких факторов как степень турбулентности набегающего потока, высота канала, расположение и параметры лунок, а так же направление обтекания' теплообменной поверхности' на относительные коэффициенты, теплоотдачи и гидродинамики. Это позволило установить зависимости для расчета относительных чисел Нуссельта и коэффициентов сопротивления, как для плоского канала, так и для поперечного обтекания трубы с лунками на её поверхности.

2. Адаптирован метод регулярного режима с помощью тепловизора ИРТИС-200 для поверхности с лунками и получены количественные результаты по коэффициентам Нуссельта с использованием этого метода при турбулентном режиме течения.

3. На основании проведенных экспериментальных визуальных данных и проведенных расчётов проанализирован механизм, интенсификации теплообмена, заключающийся в образовании' больших вихрей выносимых из области лунок в набегающий поток, которые могут приводить к увеличению коэффициента теплоотдачи.

4. Проведены расчёты сопряженной задачи и выявлено, влияние материала пластины на распределение температуры на характеристики в канале с лунками.

5. Уточнены значения коэффициентов в пристенных функциях, с помощью которых можно находить значения коэффициентов теплообмена по локальным значениям температур при использовании вычислительного комплекса РНОЕМСЗ.

6. Показан эффект при использовании поверхностей с углублениями на примерах пластинчатых теплообменниках, используемых в ЖКХ и трубчатых рекуператорах, используемых в схемах ВТУ при проведении процессов плавления и варки стекла, что позволяет сэкономить металл при неизменном расходе топлива, либо при той же металлоёмкости аппарата сократить расход топлива.

Достоверностьподтверждается удовлетворительной согласованностью расчётных и экспериментальных данных, применением современных экспериментальных- методик и вычислительного комплекса РНОЕ№С8, а также удовлетворительным согласием результатов исследования с результатами других авторов.

Практическая ценность. Полученные в работе критериальные выражения удовлетворяют по точности инженерным требованиям и позволяют производить расчеты теплогидравлических параметров в пластинчатых теплообменниках ЖКХ, не прибегая к затратным экспериментальным методам. Предложены мероприятия по экономии природного газа в трубчатых рекуператорах, используемых при проведении плавильных процессов в схемах плавления и варки стекла, которые могут быть частично или полностью реализованы в других отраслях промышленности. Результаты работы используются при чтении курсов «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий» и «Математическое моделирование и оптимизация систем теплоснабжения и кондиционирования».

Основные положения, выносимые на защиту:

• результаты экспериментального исследования теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока в каналах разной высоты;

• результаты численного моделирования турбулентного течения и теп-лопереноса в каналах теплообменников с интенсифицированными поверхностями и расчеты сопряженной задачи на модели рабочего участка при развитом режиме течения и учете влияния начального участка с целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;

• зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в исследуемых теплообменниках;

• мероприятия по повышению эффективности теплообменного оборудования на базе проведенного исследования и оценка энерго- и ресурсосберегающего эффекта.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на II научной школе-конференции "Актуальные вопросы авиационных и аэрокосмических систем. Процессы, модели, эксперимент" HAH Украины в 2004 году[64]; IV национальной конференции по теплообмену в 2006 году[65]; III Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках в 2008 году» [66]и XVI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2010 год.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 опубликованных работах, две из них в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д., Власенко A.C. Повышение эффективности теплообменника - рекуператора путем нанесения лунок на поверхность труб // Вторая научная школа-конференция "Актуальные вопросы авиационных и аэрокосмических систем. Процессы, модели, эксперимент" HAH Украины, Тез.докл. - Алушта. - 2004. -С. 149-151.

2. Власенко A.C., Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д. Сопряженный теплообмен в канале с лунками на нижней поверхности // Труды четвертой национальной конференции по теплообмену: в 8 томах — М., -2006. -Т.8. -С.45-47

3. Патент на полезную модель № - 73461. теплообменная труба. Авторы: Сергиевский Э.Д., Крылов А.Н., Власенко A.C. Опубликовано: 20.05.2008 Бюл. №-14

4. Арбатский A.A., Власенко A.C., Сергиевский Э.Д. Влияние высоты канала с лунками на нижней поверхности на теплогидродинамические характеристики // Вестник МЭИ. -2008. -№ 2. -С.30-32.

5. Сергиевский Э.Д., Арбатский A.A., Власенко A.C. Интенсификация теплообмена путем нанесения лунок на теплообменную поверхность // Третья Международная конференция: Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Тез.докл. - М., Издательский дом МЭИ, - 2008: - С. 140141.

6: Власенко A.C., Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Поверхностные интен-сификаторы в теплообменниках //Молочная,промышленность. - 2009. -№5. -С.16-18.

7. Власенко A.C., Гасилин Н.С., Сергиевский Э.Д. Расчет радиационного, теплообменника рекуператора стекловаренной печи с интенсификаторами на внутренней поверхности труб// Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 418-419.

Структура и объём работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, состоящего из 85 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведены экспериментальные исследования по определению коэффициентов теплоотдачи в прямоугольном канале при»разной его;высоте с помощью тепловизора ИРТИС-200, а. также по перепаду давления в гладком канале и канале с лунками при их» различном расположении.

2. С помощью лицензионнойгвычислительной программы. РНОЕШСЗ смоделирован рабочий участок экспериментальной^ установки и проведены расчеты сопряженной задачи по определению скоростей, температур и перепаду давлений в канале с лунками и без них в режимных параметрах, отвечающих условиям натурного эксперимента.

3. По результатам экспериментальных исследований установлено, что в канале высотой 8 см наличие лунок на нижней стенке увеличивает коэффициент теплоотдачи в 1.35 раза по сравнению с гладким каналом. Для каналов высотой 4 и 1.5 см эта величина соответствует значениям 1.85 и 2.25 раза.

4. Сопоставление экспериментальных и численных данных в исследо-ваннном диапазоне высот канала показало, что значения,коэффициентов теплоотдачи и сопротивления отличаются на 8-12 %. Это позволяет считать, что метод с использованием уравнений неразрывности, движения, энергии и к-8 модели может быть использован для проведения проектных расчетов-в аналогичных каналах.

5. Проведено обобщение экспериментальных данных для плоских каналов с поверхностными интенсификаторами в виде полусферических выемок, а также пучков труб при поперечном их обтекании. В результате получены новые эмпирические выражения для расчета относительных коэффициентов теплоотдачи и сопротивления в зависимости от степени турбулентности набегающего потока, относительной глубины лунок и каналов с учетом начального участка и развитого режима течения теплоносителя.

6. На основании полученных данных проведена оценка увеличения эффективности и уменьшения габаритов пластинчатых теплообменников, применяемых в системах кондиционирования.

7. Показано, что при использовании «луночных» интенсификаторов в кожухотрубном рекуператоре возможно уменьшение его габаритов при сохранении расхода топлива и степени подогрева воздуха (по сравнению с гладкими трубами). Либо - увеличение подогрева воздуха при неизменных геометрических параметрах рекуператора снижает расход топлива.

1. Халатов А.А.Теплообмен и гидродинамика околоповерхностных углублений (лунок). Киев: Наукова думка, 2005.

2. Кирпичёв М.В. О наивыгоднейшей форме поверхностей нагрева // Известия энергетического института им. Г.М. Кржижановского, 1944.- Т. 12. -с.5-8.

3. Гухман А.А. Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей // Теплоэнергетика, 1977.- №4.- С. 5-8.

4. Валуева Е.П., Доморацкая Т.А. Оценка теплогидравлической эффективности рекуперативных теплообменных аппаратов // Теплоэнергетика, 2002.- №3.- С. 43-48.

5. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. М.:Энергоатомиздат, 1998.

6. Почуев В.П., Луценко Ю.Н., Мухин А.А. Теплообмен в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин // Труды первой Российской национальной конференции по теплообмену. 1994. Т.8. С. 178-181.

7. Ligrani P. М., Oliveira М.М., Blascovich Т. Comparison of Heat Transfer Augmentation Techniques, AIAA Journal, Vol.41, №3, March 2003

8. Дрейцер Г.А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах // Труды 2-ой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ 2). Т.6. Интенсификация теплообмена. М.: Изд-во МЭИ. 1998. С. 55-59.

9. Burgess N. К., Oliveira М.М., Ligrani P. M.Nusselt Number Behavior on Deep Dimpled Surfaces Within a Channel, Transactions of the ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 125, pp. 1-8, February 2003.

10. Moon H. K., O'ConnelT. and GlezerB. Channel Height Effect in heat transfer and friction in Dimpled Passage, ASME 99-GT-163, ASME Turbo Expo,. 1999, Indianapolis.

11. MIF-2004 Электронный ресурс.: Статьи с Минского Международного форума по тепломассообмену. Секция №1, 1-69. Минск, 2004.- 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с титул, экрана.

12. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В., Дилевская E.BÍ, Исаев» С.А. Существо механизма интенсификации теплообмена на поверхности со сферическими выемками: // Известия АН-. Энергетика. 2002. №2., с.117-135.

13. Пермяков В.А., Пермяков,К.В., Якименко А.Н., Нейбургер А.Н. Квопросу выбора типа водо-водяных подогревателей для систем теплоснабжения. Промышленная энергетика, 1997, №4, с.37-44.

14. Компания Теплопар. Пластинчатые Электронный ресурс. www.tind.ru

15. YaroslavChudnovsky, HarryS. Kurek, AleksandrKoslov.Dimpled Tube Technology for Heat Transfer Enhancement in Chemical Industry Process Heaters. ASME Paper No 95-GT-59, ASME 40th Intl. Gas Turbine and Aero Congress, 1995, Houston, pp. 1-10.

16. Новый способ интенсификации конвективного теплообмена: Отчет ЦКТИ им. И.И.Ползунова. Руководитель темы Н.А.Скнарь. Инв. N6323/0-1388. -Л., 1952. -134с.

17. Фастовский В.Г., Петровский Ю.В. Теплоотдача и сопротивление при течении воздуха в пакете из листов с полусферическими выступами. // Теплоэнергетика. -1959. -N1. -с. 14-16

18. Presser K.H.Empirishe Gleichungen zur Berechnung der Stoff- und Warmeubertragungfur den Spezialfall der Abgerissenen Strömung. // International JornalofHeatandMass Transfer. -1972. v.15. -p.2447-2471.

19. Кесарев B.C., Козлов А.П. Конвективный* теплообмен в полусферическом углублении при обтекании турбулизированным потоком. // Тепломассообмен ММФ. Конвективный, тепломассообмен: Тезисы докладов. -Минск: ИТМО АНБ, -т.1 -4.1 -с.14-17.

20. Афанасьев В.Н., Леонтьев А.И., Чудновский ЯЛ. Трение и теплообмен на поверхностях, профилированных сферическими углублениями: Препр. МГТУ им. Н.Э.Баумана N 1-90. М.: Изд-во МГТУ, 1990, 118 с.

21. Kimura Т., Tsutahara М. Fluid dynamic effects of grove on circular cylinder surface. //AIAA Journal -1991. -v.29.-N12.-p.2062-2068.

22. Moon S. W., Lau S. С. Turbulent Heat Transfer Measurements on a Wall Concave and Cylindrical Dimples in a Square Channel, Proceedings of ASME GT-2002-30208, ASME Turbo Expo 2002, Amsterdam.

23. Juin Chen, Hans MuIIer-Steinhagen, Geoffrey G. Duffy. Heat transfer enhancement in dimpled tubes. // Applied Thermal Engineering 21(2001), pp.535547.

24. Шрадер И.Л., Дашчян A.A., Готовский М.А. Интенсифицированные трубчатые воздухоподогреватели. // Теплоэнергетика. -1999. -N9. -с.54-56.

25. Беленький М.Я., Готовский М.А., Леках

26. Б.М.Теплогидравлические характеристики поперечно обтекаемых поверхностей с лунками. // Теплоэнергетика -1994, №1, с.49-51.

27. Исаев- G.A., Леонтьев А.И1, Баранов П.А. Идентификация! самоорганизующихся! структур при численном моделировании турбулентного обтекания лунки на* плоскости потоком несжимаемой жидкости // Письма в ЖТФ. 2000. Т.26. Вып.Г. С.28-35.

28. Исаев-С.А.Численное моделирование вихревого теплообмена в организованных и самоорганизующих отрывных течениях // Труды XIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева. 2001. Том 1. С.28-31.

29. Haugen R.L. and Dhanak A.M. Heat transfer in turbulent boundary layer separation over a surface cavity. // Trans. Am. Soc. Mech. Engrs, Series C, Int. J. Heat Mass Transfer 89. 1967,pp.335-340.

30. Yamamoto H., Seki N., and Fukusako S. Forced convection heat transfer on'heated bottom surface of a cavity.//Trans. Am. Soc. Mech. Engrs, Series C, Int. J. Heat Mass Transfer 101. 1979, pp.475-479.

31. Richards R.F., Young M.F. and Haiad J.C. Turbulent forced convection heat transfer from a bottom heated open surface cavity. // Int. J. Heat Mass Transfer. Vol.30, No.ll, pp.2281-2287, 1987.

32. Александров A.A', Горелов Г.М., Данильченко В.П., Резник B.E. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление при обтекании поверхности с развитой шероховатостью в виде сферических углублений. // Промышленная теплотехника 1989, т.11, N 6, с. 57-61.

33. Дикий В.А., Легкий В.М. Оптимизация геометрических параметров^ каналов с полусферическими выступами. // Промышленная теплотехника. -1989. -т.11. -N5.-C.107-109.

34. Беленький М.Я., Готовский М.А., Леках Б.М. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменныхповерхностей, формованных сферическими лунками. // Теплофиз. высоких тем. -1991. -Т.29, N-6, с.1142-1147.

35. Величко'В.И.,, Пронин В.А. Интенсификация теплоотдачи и повышение энергетической эффективности конвективных поверхностей теплооб-мена///М.: Изд-во МЭИ, 1999.

36. Исаченко В.П:, Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача: М.: Энергия, 1975.

37. Новая энергетическая политика России. — М.: Энергоатомиздат, 1995, 512 с.

38. Патанкар С.Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.-152с.

39. Сполдинг Д.Б. Конвективный массоперенос: Пер. с англ. Шульмана З.П.-М.-Л. Энергия, 1965.-384с.

40. Хмельницкий Р.З. Стальные рекуператоры. Расчет и основы проектирования. М.:-МЭИ, 1975.

41. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с нем. Г.А. Вольперта, -М.: Наука, 1974.-712с.

42. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под-общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина 2-е изд., перераб.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-588 с.

43. MIF-2004 Электронный ресурс.: Статьи с Минского Международного форума по тепломассообмену. Секция №1, 0-01. Минск, 2004.- 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Загл. с титул, экрана.

44. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.

45. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В. М. Справочник по теп-лообменным аппаратам. М: Машиностроение, 1989.

46. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А.Тепломассообмен. М.: Изд-во МЭИ, 2001.

47. Петухов Б.С., Шиков В.К. Справочник по теплообменникам: Т.1, М: Энергоатомиздат, 1987.

48. Local Heat Transfer and Flow Structure On and Above a Dimpled Surface in a Channel. G.I. Mahmood, M.L. Hill, D.L. Nelson, P.M. Ligrani, H.-K. Moon, and B. Glezer, ASME Transactions-Journal of Turbomachinery, Vol. 123, No. l,pp. 115-123, January 2001

49. Schukin A. V., Koslov, A. P., and Agachev. R. S. Study and Application of HemisphericalCavities for Surface Heat transfer Augmentation. ASME Paper No 95-GT-59, ASME 40th Intl. Gas Turbine and Aero Congress, 1995, Houston.

50. Chyu M. K., Yu Y., Ding H., Downs J. P., and Soechting F. Concavity Enhanced Heat Transfer in an Internal Cooling Passage, ASME Paper No 97-GT-437, ASME 42nd Intl. Gas Turbine and Aero Congress, 1997, Orlando, FL.

51. Lin Y. I., Shih Т. I. P., and Chyu M. K. Computations of Flow and Heat transfer in a Channel with Rows of Hemispherical Cavities. ASME 99-GT-263, ASME Turbo Expo,. 1999, Indianapolis.

52. Mahmood G. I., Hill M. L., Nelson D. L., Ligrani P. M., Moon

53. H. K., and GlezerB.Local Heat Transfer and Flow Structure on and Above a Dimpled Surface in a Channel. ASME TurboExpo, 2000, Munich.

54. Bearman P: W. and Harvey Ji K. Control of Circular Cylinder Flow by the Use of Dimples. AIAA Journal, Vol. 31, No 10, 1993, pp. 1753-1756'.

55. ЩукинА.В., КозловА.П., ЧудновскийЯ.П., АгачевР.С.

56. Интенсификациятеплообменасферическимивыемками. Обзор // Из-вестияРАН. Энергетика. 1998. №3, с.47-64.

57. Сеничкин Б.К., Матвеева Г.Н. Тепловые расчеты нагревательных печей. 4.2: Учеб. пособие. Магниторогск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2004. 77 с.бГ.Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках.-М. : Наука, 1982.

58. Назмеев Ю.Г. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах. М.: Энергоатомиздат, 1998.-376 с.

59. Кесарев В.А., Козлов А.П. Структура течения и теплообмен при обтекании полусферического углубления турбулизированным потоком воздуха. Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение, 1993, №1, с. 106-115.

60. Власенко А.С., Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д. Сопряженный теплообмен в канале с лунками на нижней поверхности // Труды четвертой национальной конференции по теплообмену: в 8 томах — М., -2006. —Т.8. -С.45-47.

61. Власенко А.С., Глазов B.C., Сергиевский Э.Д. Поверхностные ин-тенсификаторы в теплообменниках. // Молочная промышленность, №5, 2009.69. Грант РФФИ № 05-08-18265.

62. МунябинК.Л.Эффективность интенсификации теплообмена углублениями и выступами сферической формы, Волжская государственная академия водного транспорта, Н. Новгород. Теплофизика и аэромеханика, 2003, № 2, с. 235-246

63. Ghudnovsky Y., Kurek S., Kozlov A. Dimpled tube technology for heat transfer enhancement in chemical industry process heaters. Presentation to "Natural Gas Technologies II" Conference, 9-11th February, 2003. GTI (USA), 2003. T04117. 10 p.

64. Chudnovsky Y., Kozlov A.Heat transfer enhancement and fouling mitigation potential due to dimpling the convective surfaces.Gas Technology Institute.

65. ККФ. Гортышов, И.А. Попов, B.B. Олимпиев, А.В. Щелч-ков.Теплогидравлическаяэффективностьиспользованиясфероидальныхвыемо кдляинтенсификации теплоотдачи в канале. V Minsk international heat & mass transfer forum proceedings, May 24-28, Minsk, 2004.

66. Мусин И.Р.Энерго- и ресурсосбережение путем повышения тепловой и гидродинамической эффективности пластинчатых теплообменников лен-точно-поточного типа. Автореф. дисс. к.т.н. — М.: МЭИ, 2007. -20 с.

67. Сергиевский Э.Д., Хомченко Н.В, Овчинников Е. В. Расчет локальных параметров течения и теплообмена в каналах: Методическое пособие М.: МЭИ, 2001.

68. Маскинская А.Ю. Повышение эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплообмена на поверхности с лунками. Автореф; дисс. к.т.н. М.: МЭИ, 2004. -20 с.

69. Модель турбулентности в пристенных потоках при наличии внешних воздействий/ Тр. МЭИ, вып. 690, с. 17-26/ Э.Д.Сергиевский, В.П.Мо 1улевич, 1983. // МотулевичВ.П.,Сергиевский Э.Д. Модель турбулентности при;наличии

70. Михеев М.А., Михеева И.М Основы; теплопередачи: Энерго-издат, 1981.

71. Репик Е.У, Соседко Ю.П. К вопросу о толщине вязкого подслоя в турбулентном пограничном слое Изв. COAHGCGP, сер.техн.наук, 1982 №8 вып.2 с.21

72. Арбатский A.A., Власенко A.C., Сергиевский Э.Д. Влияние высоты канала с лунками на нижней поверхности на теплогидродинамические характеристики // Вестник МЭИ! -2008. -№ 2. -G.30-32.

73. Гортышов Ю.Ф;, Олимпиев В.В; Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во КазГТУ, 1999.

74. Кикнадзе Г.И;, Гачечиладзе И.А., Алексеев В.В. Самоорганизация смерчеобразных струив потоках вязких сплошных сред и интенсификация теплообмена, сопровождающая это явление. М.: ИздательствоМЭИ, 2005.

75. Flow structure due to dimple depressions on a channel surface / P.M. bigrani, J.L. Harrison, G.I. Mahmmod, and M.L. Hill / PHYSYCS OF FLUIDS, 2001, V.13, № 11, 3443-3450 pp.

76. Попов И.А. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования при вынужденном и свободноконвективном движении теплоносителей. Автореф. дисс. д.т.н. — Казань 2008. -40 с.