ИНТЕНСИФИКАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ТРЕНИЯ В ПЛАСТИНЧАТЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ КМС-2 С ГРАДИЕНТОМ ДАВЛЕНИЯ

Полный текст

Введение В связи с ростом объемов строительства жилых комплексов высокоэтажных зданий и крупных торговых центров возрастают затраты на проектирование систем обеспечения микроклимата и расходы теплоты на подготовку воздуха в системах вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления. Это приводит к необходимости применения более эффективных теплообменных аппаратов в системах подготовки воздуха. Интенсификация теплообмена со стороны нагреваемого воздуха позволит уменьшить габариты и металлоемкость теплообменников. Вопрос интенсификации теплообмена является практически значимым и актуальным, так как для обеспечения комфортных условий в жилых комплексах и крупных торговых центрах требуется развитая система подготовки воздуха с эффективными теплообменными аппаратами. В настоящее время для повышения эффективности теплообменных аппаратов применяют следующие способы: использование поверхностных интенсификаторов (шероховатость стенки, нанесение лунок, шипов, ребер), применение динамического изменения характеристик рабочего потока (при пульсациях потока, при переменном знаке продольного градиента давления по потоку). В работах Е.П. Дыбан, Э.Я. Эпик [1, 2] проведены экспериментальные исследования по теплообмену и трению в турбулентных потоках и влиянию различных факторов (степень Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 2 24 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ турбулентности, коэффициент ускоренности, физические свойства рабочего тела и т. д.) на структуру пограничных слоев и теплообмен. Для повышения интенсивности теплообмена в теплообменном аппарате [3, 4] использован метод, основанный на применении осесимметричных каналов переменного сечения, образованных продольно-волнистыми ребрами при реализации двойного отсоса (вдува) пограничного слоя. Таким образом, реализуется продольный знакопеременный градиент давления, совмещенный с вдувом (отсосом) пограничного слоя. При переменном знаке градиента давления (положительном или отрицательном) открывается возможность управления интенсивностью теплообмена в теплообменных аппаратах. В работе [4] проведенное обобщение результатов экспериментальных исследований для диффузорно-конфузорных каналов в виде критериальных уравнений имело погрешность ± 25 %. В современных условиях при проектировании и разработке нового теплообменного оборудования допустимая погрешность должна быть существенно ниже. Исследование градиентных каналов достаточно широко представлено в работах [4-10]. В работах [5, 6] исследование выполнено для воздуха при значениях чисел Рейнольдса в диапазоне от 7300 до 10500 и коэффициенте ускоренности от 3.8·10-6 до 12.4·10-6. Условия эксплуатации, характеризующиеся этими числами, не соответствуют условиям работы теплообменника КМС-2 и его модернизируемого аналога, применяемого в системах подготовки воздуха для вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления. В этой связи требуется провести дополнительные численные исследования для модернизации такого теплообменника. В работе В. И. Терехова, Т. В. Богатко [7] выявлено, что рост градиента давления приводит к уменьшению интенсивности теплообмена в отрывной области при условии, что исследования проводились при Red = 27500. Этот критерий Рейнольдса также не соответствует условиям эксплуатации воздухонагревателя КМС-2. В работе А.В. Илинкова, А. В. Щукина и др. [8] проведено исследование совместного влияния применения различных типов интенсификаторов теплообмена (сферических лунок, выступов, полуцилиндрических выступов) - и градиента давления, и пространственно-временной перестройки профиля скорости, и пульсаций потока на интенсивность теплообмена. Выявлено следующее [8]: для диффузорного канала при наличии сферической выемки интенсивность теплоотдачи в ней снижается на 20 %, для конфузорного канала теплоперенос в выемке, напротив, возрастает в два раза. Это особенно характерно для зон с образованием вихревых течений в сферических выемках. При отсутствии лунок по данным [8] коэффициент теплоотдачи для конфузора оказывается ниже, чем в безградиентном канале αint/α0 = 0,2, а для диффузора αint/α0 = 1,2. Однако в проведенных исследованиях [8] Re = 1.5-3.4·105, что не соответствует условиям работы теплообменника КМС-2. В работе С.Г. Руденко [9] проводилось исследование по влиянию продольного градиента давления на сложный теплообмен при высоких температурах каналов и сопел при сильном вдуве, что характерно для ядерных энергоустановок. При таких условиях интенсивность теплообменных процессов снижается по длине пластины. Исследование [9] проводилось для пластины длиной L=25 мм (для ламинарного пограничного слоя) при dp/dx < 0 и L=500 мм (для турбулентного пограничного слоя) при следующих параметрах: диапазон изменения скорости потока 10-200 м/с с температурой потока 8000-10000 К, рабочее тело - двухфазный поток (несущая среда - водород, вторая фаза - частицы лития до 1 % по объему). Показано, что для ламинарного пограничного слоя при наличии вдува конвективная составляющая теплопереноса возрастает в 8.45 раза, а лучистая составляющая снижается незначительно. При наличии градиента давления и вдува влияние лучистой составляющей уменьшается на 6 %. Изучение теплообмена в работе [9] производится при существенно более высоких температурах потока и стенки, чем температуры, характерные для эксплуатации теплообменника КМС-2. Ю.А. Виноградовым и его коллегами [10] проводились исследования теплообмена на проницаемой пластине для градиентного и безградиентного течения в сверхзвуковом потоке газа. По предельной теории турбулентного пограничного слоя проведен расчетный анализ измеренных значений температуры. Авторами этой работы выявлено, что градиент давления находится в зависимости от температуры на поверхности пластины и при исследовании необходимо учитывать его влияние на теплообмен. Однако в теплообменнике КМС-2 реализуются существенно более низкие скорости потока воздуха, что требует проведения дополнительных исследований. Конструктивно стандартный теплообменник КМС-2 состоит из распределительной коробки, патрубков для подвода горячей воды, трубок для прохода теплоносителя, съемных боковых щитков [11]. Теплообменная поверхность формируется пластинами размером 136х117 мм, расстояние между которыми составляет 5 мм [11]. Н. П. Петрова, А. А. Цынаева, В. В. Белая 25 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 2 При модернизации калорифера КМС-2 предлагается использовать конструктивные решения, представленные на рис. 1. Общая длина канала, составляющая 117 мм, разделяется на участки с расширяющимся по ходу потока сечением и сужающимся сечением соответственно (с положительным и отрицательным градиентом давления). Длина таких участков l = L/n, где L - длина всего канала, n - количество участков, угол раскрытия участка канала может принимать значения от 0 до 5 град. [7]. В данной работе угол расширения (сужения) составляет 3 град. В настоящей работе исследованы следующие конструктивные решения: канал с переменным сечением (рис. 1, в), длина отдельных участков l = 58,5 мм, n = 2. Первый участок канала - расширяющийся dp/dx > 0, второй - сужающийся dp/dx < 0, угол раскрытия (сужения) β = 3 град. В дальнейшем планируется рассмотреть каналы теплообменников, в которых общая длина будет разделена более чем на два участка. Разделение теплообменной поверхности на участки с положительным и отрицательным градиентом давления выполнено для того, чтобы интенсифицировать теплообмен и компенсировать потери давления. В расширяющем канале давление возрастает, но скорость падает. Для сужающего канала характерно возрастание скорости, но и существенный рост потерь давления, что снижает теплогидравлическую эффективность таких каналов. Для того чтобы скомбинировать отрицательные и положительные стороны конфузорных и диффузорных участков, необходимо общую длину канала разделить на отдельные сегменты. Для проведения численного исследования в качестве инструмента выбран программный комплекс Code_Saturne [12], в котором реализуется численное решение уравнений сохранения количества движения, дифференциальное уравнение энергии, уравнение неразрывности и уравнение состояния. Для построения расчетной сетки использовались алгоритмы, представленные в работе [13] и реализованные с помощью программного комплекса Salome [14]. Количество слоев вязкости и характеристики сетки выбирались в соответствии с параметрами [13]. Для численного исследования применялся RANS подход. Модель турбулентности выбиралась на основе ранее проведенных исследований [13]. Численное исследование и валидация Для подтверждения адекватности получаемых решений проведена валидация инструмента исследования. Для решения этой задачи проведено сравнение результатов численного эксперимента авторов с результатами физического эксперимента Э. Я. Эпик [15] и с расчетом по критериальному уравнению Жукаускаса из работы [16] и по формуле Василева, представленной в [17], для конфузора. Условия моделирования: Re = 3000, 4177, 6000, рабочее тело - воздух, температура воздуха на входе минус 30 °С, что соответствует зимним Рис. 1. Предлагаемая конструкция теплообменника: а - с изогнутыми пластинами, где L - длина; S0 - шаг оребрения; S1 - продольный шаг трубок; S2 - поперечный шаг трубок; nр - число трубок в ряду; nц - количество циркуляционных контуров; nтц - число трубок в циркуляционном контуре; б - тип канала для стандартного теплообменника КМС2; в - тип канала для модернизированного теплообменника а б в Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 2 26 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ условиям для г. Самары, боковые стенки являются обогреваемыми q1 = 1832 Вт/м2, q2 = 2053 Вт/м2, q3 = 2370 Вт/м2 (тепловые потоки для соответствующих чисел Рейнольдса); верхняя и нижняя стенка не обогреваются (рис. 1, б, в), на выходе канала реализуются условия свободного истечения. Результаты сравнения численного эксперимента с физическим экспериментом Э. Я. Эпик показаны авторами в работах [13, 18]. Сопоставление результатов численного моделирования и результатов расчета по критериальным уравнениям Жукаускаса [16] и Василева [17] представлено на рис 2. Анализ рис. 2 показывает, что отклонение результатов численного моделирования от данных расчета по критериальным уравнениям находится в пределах погрешности обобщения экспериментальных данных критериальными уравнениями. При этом следует отметить, что количественное совпадение результатов численного исследования авторов более выражено при сравнении с расчетом по формуле Жукаускаса [16], а формула Василева будет давать более качественные результаты при более высоких значениях Рейнольдса и при углах раскрытия от 2 до 17 град. [17]. Результаты моделирования В результате численного моделирования определяется скорость, температура потока и поверхности канала, энергия пульсации потока. Далее производится обработка результатов численного исследования и рассчитываются локальные коэффициенты теплоотдачи, значения чисел Стантона, потери давления и другие характеристики. На рис. 3 показаны результаты численного моделирования распределения избыточно- Рис. 2. Локальные значения коэффициента теплоотдачи по длине конфузора при v = 6.7 м/с, dP/dx < 0: 1 - расчет по формуле Жукаускаса [16]; 2 - расчет по формуле Василева [17]; 3 - численное моделирование авторов Рис. 3. Избыточное давление по длине канала: 1, 2, 3 - сужающийся канал dp/dx<0 при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 соответственно; 4, 5, 6 - канал с переменным продольным градиентом (L = 117 мм, l = 58.5 мм, n = 2) при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 соответственно; 7, 8, 9 - расширяющийся канал dp/dx > 0 при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 Рис. 4. Локальные коэффициенты теплоотдачи по длине канала: 1, 2, 3 - сужающийся канал dp/dx < 0 при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 соответственно; 4, 5, 6 - канал с переменным продольным градиентом (L = 117 мм, l = 58.5 мм, n = 2) при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 соответственно; 7, 8, 9 - расширяющийся канал dp/dx > 0 при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 го давления по длине канала при числах Рейнольдса 3000, 4177, 6000. Из результатов исследования видно, что при наличии положительного градиента давления избыточное давление возрастает, при наличии отрицательного градиента давления избыточное давление уменьшается. В канале переменного сечения избыточное давление в расширяющей части канала (dp/dx > 0) возрастает на 40-66 %, а в сужающейся части канала (dp/dx < 0) падает на 85-98 %. Результаты исследования локального значения коэффициента теплоотдачи показаны на рис. 4. Н. П. Петрова, А. А. Цынаева, В. В. Белая 27 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 2 n = 2) на начальном участке (при ниже, чем в канале с dp/dx > 0 до 26.7 %, а при выше на 5-15 %, но для канала с dp/dx < 0 прирост может достигать 77 %. Рис. 5. Отношение числа Стантона на коэффициент трения: 1, 2, 3 - dp/dx > 0 при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 соответственно; 4, 5, 6 - канал с переменным продольным градиентом (L = 117 мм, l = 58.5 мм, n = 2) при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 соответственно; 7, 8, 9 - dp/dx<0 при Red = 3000, Red = 4177, Red = 6000 Из рис. 4 видно, что применение канала переменного сечения ведет к росту осредненных по длине канала коэффициентов теплоотдачи до 16 % при сравнении с каналом с dp/dx > 0 и на 20 % при сравнении с каналом с dp/dx < 0. Далее было проведено обобщение результатов исследования по числу Стантона и коэффициенту трения, и эти результаты представлены на рис 5. Расчет коэффициента трения производился по формуле [19]: , где l - длина участка, м; d - диаметр канала, м; Uв - скорость, м/с; ρ - плотность, кг/м3; ΔP - потери давления, Па; f - коэффициент трения. Из рис. 5 видно, что теплогидравлическая эффективность знакопеременного канала (L = 117 мм, l = 58.5 мм, n = 2) на начальном участке (при x- = 0-0,08 ниже, чем в канале с dp/dx > 0 до 26.7 %, а при x- = 0,08-1 выше на 5-15 %, но для канала с dp/dx<0 прирост может достигать 77 %. Вывод. В результате численного исследования выявлено, что применение переменного продольного градиента давления (L = 117 мм, l = 58.5 мм, n = 2) оказывает существенное влияние на интенсивность теплообмена. Осредненное значение коэффициента теплоотдачи канала переменного сечения до 20 % выше, чем для канала при dp/dx<0, и на 16 % выше, чем при dp/dx > 0. Теплогидравлическая эффективность знакопеременного канала (L = 117 мм, l = 58.5 мм,

Об авторах

Надежда Павловна ПЕТРОВА

Самарский государственный технический университет

Анна Александровна ЦЫНАЕВА

Самарский государственный технический университет

Валерия Викторовна БЕЛАЯ

Самарский государственный технический университет

Список литературы

Дополнительные файлы