Численные и экспериментальные исследования параметров теплоотдачи радиационных труб в замкнутом объеме Текст научной статьи по специальности «Физика»

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ

I

УДК 535.2.662

ЧИСЛЕННЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООТДАЧИ РАДИАЦИОННЫХ ТРУБ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ

Б.М. ЗИГАНШИН, В.Н. ПОСОХИН

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Статья посвящена проблеме энергосбережения при использовании радиационных труб в качестве нагревательных элементов для термических печей с контролируемой атмосферой и в отопительных системах. Исследуется возможность повышения их энергоэффективности посредством уменьшения конвективной и увеличения лучистой составляющей.

Широко известно применение газоиспользующих радиационных труб в качестве нагревательных элементов для термических печей с контролируемой атмосферой [1]. В последнее время трубчатые излучатели получают распространение в России и как элементы газоиспользующих систем обогрева производственных объектов, так как лучистое отопление позволяет понизить температуру в помещении на 2-3°С без ухудшения комфортности условий.

Излучающие трубы имеют и конструктивные резервы энергосбережения. Можно повысить их эффективность, уменьшая конвективную составляющую теплоотдачи, увеличивая ее лучистую составляющую и направляя лучистый поток непосредственно на поверхность обрабатываемых деталей (или пола отапливаемого помещения). В данной работе рассмотрены результаты экспериментального и численного исследования теплоотдачи излучающих труб в замкнутом пространстве.

Численные исследования проводились методами вычислительной гидродинамики (ВГД). Рассматривалась плоская задача для источника, имитирующего ^-образный трубный излучатель, установленного на высоте 5,0Ь в замкнутом пространстве прямоугольного поперечного сечения размерами 1,85х1,06Ь (рис. 1, а, б). За определяющий размер Ь здесь и далее принята диагональ параллелепипеда, длина и ширина которого соответствуют длине и ширине обогреваемого объема, а высота - высоте подвески излучателя.

Рис. 1. Результаты численного расчета теплообмена в помещении с трубным излучателем ШЕКА-9В: 1 - экран излучателя (рефлектор); 2 - греющие трубы; 3 - потоки нагретого воздуха, выходящие из-под рефлектора; 4 - восходящие конвективные потоки под излучателем; 5 - граница раздела потоков 3, 4; 6 -область восходящего конвективного потока над излучателем; 7, 8, 9 - стены, потолок и пол помещения

© Б.М. Зиганшин, В.Н.Посохин

Излучатель состоит из металлического экрана 1 и греющих труб 2 диаметрами 0,01/, и 0,009/, (108 и 89 мм). Трубы нагреваются за счет сжигаемого внутри природного газа. Горелка и вытяжной вентилятор устанавливаются на разных концах труб. Температура излучающих труб 4 в расчетах принята одинаковой по всей их длине. Температура наружного воздуха ¿„=-30°С. Стены 7, перекрытие 8 и под печи (пол помещения) 9 имеют толщину 8=0,2м и коэффициент теплопроводности Я,=1,75 Вт/(мК). Коэффициенты теплоотдачи от стен и перекрытия приняты ан=1 Вт/(м2К), от пода ан=0,07 Вт/(м2К).

По результатам расчетов из-за конвекции воздух непосредственно у труб нагревается на 90 К, а лучистая теплоотдача снижается. Максимум скоростей восходящего конвективного потока (~0,4 м/с) находится в области 6, расположенной на 2-2,5 м над рефлектором (рис. 1, а). Еще одна область интенсивного движения воздуха находится рядом с боковыми поверхностями рефлектора. Она формируется конвективными потоками от боковин и нагретым воздухом, вытекающим из-под рефлектора. Расчёты позволили также выделить границы 5 потоков, движущихся внутри и снаружи излучателя (рис. 1, б).

На рис. 2, а, б представлено сравнение численного расчёта теплообмена в помещении с обычным ^-образным излучателем и модернизированной конструкцией, позволяющей снизить интенсивность конвективной теплоотдачи труб. Модернизация заключалась в установке по продольной оси экрана под трубами прокатного профиля, соразмерного с излучателем.

Рис. 2. Сравнение расчётов теплообмена в помещении с серийным и модернизированным излучателем (см. область А на рис. 1): 1 - рефлектор; 2 - изотахи (м/с); 3 - потоки нагретого воздуха, выходящие из-под рефлектора; 4 - восходящие конвективные потоки под излучателем;

5 - граница раздела потоков; аЬ - поперечное сечение потока, выходящего из-под рефлектора

В результате расчёта найдены значения функций тока, скоростей потока и температуры газовой среды. В модернизированном излучателе, вследствие увеличения гидравлического сопротивления, расход нагретого газа, уходящего из-под экрана, уменьшается, что можно достаточно точно подсчитать или по разности скоростей ^а, ^Ь, или по разности значений функций у(а), у(Ь) на крайних линиях тока в сечении аЬ. С использованием функций тока у(а), у(Ь) секундный расход, отнесенный к единице длины излучателя [2], равен

Расстояние от оси излучателя, Ь а)

V = | й у = у (а) - у (Ь).

(1)

а

В соответствии с проведённым расчётом, из-под рефлектора с нагретыми газами уходит до 4% от номинальной тепловой мощности излучателя, а при его модернизации аналогичные потери сокращаются более чем на 40%.

Расчётный тепловой баланс излучателя показал следующее. При высоте перекрытия 1,06/ доля радиационного тепла от излучающих труб составляет 53,7%, а от всего излучателя - 86,5%. Конвективная теплоотдача излучателя в целом составляет 13,5%. При высоте перекрытия 0,53/ доля радиационного тепла от труб увеличивается до 58,3%, а лучистый поток от всего излучателя остаётся практически прежним - 86,9%. Конвективная теплоотдача излучателя в целом составляет соответственно 13,1%. Таким образом, при уменьшении расстояния от излучателя до перекрытия от 1,06/ до 0,53/ лучистый поток от радиационных труб увеличивается на 5%.

Для проверки основных результатов численного моделирования разработана опытная модель обогреваемого ¿/-образным излучателем пространства с размерами 0,6х0,6х1,06/. Исследования проводились при помощи интерферометра сдвига. Было также исследовано распределение температуры (°С) внутренней и наружной поверхности стен, нижней и верхней поверхности пола модели.

Эксперименты проводились при постоянной высоте подвески излучателя йизл=0,50/ и трёх положениях высоты перекрытия кп, равных 1,06/, 0,79/ и 0,53/. При уменьшении расстояния от излучателя до перекрытия с 0,56/ до 0,03/ отмечается повышение температуры пода в среднем на 4 К вследствие уменьшения конвективной и увеличения лучистой составляющей теплоотдачи. Это позволяет сократить расход энергии на излучатели.

Посредством обработки опытных данных получены зависимости относительной максимальной Готн м температуры поверхности пода как функции относительного расстояния от излучателя до перекрытия Нп:

где Гот„ м = ¿пм/4 - максимальная температура поверхности пода, °С; Нп = Ип// -относительное расстояние от излучателя до перекрытия.

Замеры температуры наружной и внутренней поверхности ограждения показали нижеследующее. На определённой высоте стены имеются температурные максимумы, значения которых зависят как от температуры излучателя, так и от расстояния между излучателем и перекрытием. Опытные данные удовлетворительно аппроксимируются следующей зависимостью:

где Ттах ст = t тах ст /4; Тизл = ¿изл /4; ¿шах ст, 4зл - значения температурных максимумов внутренней поверхности стены над излучателем и температура излучателя, °С.

Также получена безразмерная зависимость положения температурного максимума на стене под излучателем Нтах от относительного расстояния между излучателем и перекрытием АН и относительной высоты перекрытия Нп:

Т,™ м = -0,3923Нп + 2,7717,

(2)

(Ттах ст-1)05 = (0,145 Тизл - 0,895)-(0,822- 0,075НП),

(3)

Н(тах=5,07*10-6/(АН Нп).

В уравнении (4) Я(тах= htmJL\ АИ=(к-ктл)1Ь; htmax, h, ктл - соответственно высоты температурного максимума на стене под излучателем, перекрытия и подвески излучателя, м.

Зависимости (2-4) могут использоваться для уточнённых теплотехнических расчётов обогрева рабочего пространства печи или помещения радиационными трубами. Они могут быть необходимы также при нахождении положения температурных максимумов на стенах для зонного усиления теплоизоляции ограждений.

Замеры температуры поверхности излучающих труб модели показали следующее. При расположении излучателя непосредственно под перекрытием (т.е. при высоте перекрытия 0,53L) температура труб возросла на 10 К. Рост лучистой составляющей теплоотдачи греющих элементов модели излучателя, подсчитанный по закону Стефана-Больцмана, составил 7,9%. Полученный результат удовлетворительно согласуется с приведёнными ранее результатами численного расчёта.

Соответствие опытных данных численным расчётам подтверждается также рядом других параметров. По результатам численных исследований высота конвективной струи равна 4,19 калибра, длина разгонного участка - 1,04 калибра, расстояние до полюса - 0,35 калибра теплоисточника, а угол раскрытия струи 18,1°С. В экспериментальных исследованиях высота струи составила 4,37 калибра, длина разгонного участка - 1,27 калибра, расстояние до полюса 0,50 калибра, а угол раскрытия - 17,4°С. За калибр принята ширина рефлектора излучателя по нижнему основанию, равная 603мм (для опытной модели - 36 мм).

Таким образом, предложенные усовершенствования, направленные на увеличение лучистой составляющей теплоотдачи радиационных труб, позволят до 5-8% повысить энергоэффективность обогрева рабочей зоны.

Summary

The paper is devoted to problem energy save at use of radiating pipes as heating element for thermal furnaces with a controllable atmosphere and in heating elements for increase energy efficiency by means of reduction convectional and increases in a radiant component is investigated.

Литература

1. Крейнин Е.В. Прогрессивные направления в области газового нагрева металла в контролируемых атмосферах: Научно-технический обзор: Серия: Использование газа в народном хозяйстве/Е.В. Крейнин.- М.: ВНИИЭгазпром, 1974.- 52 с.

2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа./Л.Г. Лойцянский.- М.: Наука, 1973.- 847с.

Поступила 22.02.2006