Интенсификация конвективного теплообмена мягкого отопительного прибора мобильной системы отопления с теплогенератором ВН Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

т е п л о э н е р г е т и к а

УДК 536.24

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА МЯГКОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА МОБИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ С ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОМ ВН

Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П.1', магистр техн. наук ИОКОВА И. Л.1', канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В.2), инженеры ШКЛОВЧИК Д. И.1', ЯРМОЛЬЧИК М. А.1', АЙДАРОВА З. Б.1'

1Белорусский национальный технический университет,

2ОАО «Минский автомобильный завод»-управляющая компания холдинга «БелавтоМАЗ»

Создание искусственной шероховатости на поверхности теплообмена -один из наиболее эффективных и простых методов интенсификации конвективного теплообмена [1]. Применение шероховатой поверхности способствует изменению характера течения жидкости (капельная, либо газообразная). При прочих равных условиях (рис. 1) переход из ламинарного течения в турбулентное на шероховатой поверхности наступает при меньших числах Яе, нежели на гладкой. Шероховатость на теплоотдающей теп-лообменной поверхности вызывает локальные завихрения (рис. 1б) и усиливает перенос теплоты вблизи стенки.

Измерения со стороны поверхности образцов № 1 и 2 выполняли в зафиксированном сечении теплообменника в течение 10 мин. Точки со стороны поверхности образца № 2 указывают на существенный разброс температур у этой поверхности, что свидетельствует о нарастании турбулиза-ции потока жидкости и разрушении ламинарного слоя. В конечном итоге наличие шероховатости приводит к устойчивому турбулентному течению и росту теплоотдачи (рис. 1б) на стороне стенка-воздух, что существенно интенсифицирует теплопередачу предложенного авторами отопительного прибора системы теплоснабжения мобильного объекта (типа полевого госпиталя) [2].

Рассматриваемый отопительный прибор изготовлен из мягкого полимерного материала (поливинилхлорида), покрытого мягкой полимерной пленкой с ворсистой поверхностью (рис. 2), интенсифицирующей внешний теплообмен. Наряду с реальным интенсифицирующим теплообмен эффектом теплообменник остается не тяжелым и малозатратным в денежном выражении.

К °С 39

36 -

33

30

а 27

а

2 4 6 8 10

Область устойчивой турбулизации / >» / / /^А / /. / л ^

ДаЬЬ" > ДаЬ'Ь" "

Образец № 2 ^

Образец № 1

^ \ \Р2 \Р1 \

"образец № 1

Ь" | . • образец № 2

- 36

33

30

27 10 т, мин

Л/ ~ 2-3 °С

6 т. мин

Рис. 1. Экспериментальные данные авторов по измерению температуры воздуха со стороны шероховатой 2 и гладкой 1 поверхностей отопительного элемента [2]: а - эксперимент (измерено точечным прибором «Сосна-002»); б - гидродинамическая картина разрушения ламинарного слоя

а б

Образец № 2

Образец № 1

/

К

АГ-(0.4-2.0) мм

Рис. 2. Общий вид поверхности отопительного прибора: а - гладкая поверхность теплообмена из мягкого поливинилхлорида (образец № 1); б - то же, но поверхность с мягкой шероховатой поливинилхлоридной пленкой (образец № 2, увеличение 1:10);

5 - величина пограничного слоя (8 ~ 4,96А|— ^ , где I - характерный размер в направлении

турбулентного потока (I ~ 0,6 м)); ^ - средняя скорость в турбулентном потоке, ~ 0,1-1,0 м/с; К - шероховатость, К ~ 0,4-2,0 мм

б

Анализ результатов эксперимента (рис. 1а) указывает на явную интенсификацию теплообмена на стороне с искусственной шероховатостью (образец № 2, рис. 2б) в результате разрушения ламинарного слоя. В конечном итоге с небольшой погрешностью можно записать

Р1 N4, |32 N11 '

где Кик - число Нуссельта, характеризующее теплообмен на шероховатой (вертикальная ориентация) поверхности отопительного прибора системы теплоснабжения.

Эксперимент выполняли в лабораториях кафедры ПТЭ и Т Белорусского национального технического университета (г. Минск) на установке, показанной на рис. 3. Измерения проводили самопишущим прибором КСП-4М (рис. 4) и точечным измерителем «Сосна-002» (рис. 1а).

а

б

Рис. 3. Экспериментальная установка: а - внешний вид; б - схема: 1 - гладкая поверхность теплоотдающей стенки (образец № 1); 2 - поток капельной жидкости (физраствор, №С1 ~ 4-5 %), ^ ~ 0,1-0,5 м/с; 3 - шероховатая теплоотдающая поверхность (мягкий поливинилхлорид), К ~ 0,2-2,0 мм; 4 - термопара ХК (пишущий прибор - КСП-4М); 5 - чашечный микроманометр; 6 - отверстие для связи с атмосферой; 7- медицинский шприц для введения красящей жидкости

Используя результаты натурного эксперимента и материалы А. А. Жу-каускаса [3] для условий wf ~ 0,1-1,0 м/с; ~ 30-70 °С и Яе/ = 3000-37000, авторами построена графическая зависимость Ск = /(Яе) (рис. 5).

t,° с 100 +

50-

: (образец № 1)

1

Рис. 4. Измерение температуры на поверхности теплообменника пишущим прибором КСП-4М: 1 и 2 - соответственно для шероховатой и гладкой поверхностей

С,

Re, „ -10

J Pa6min

Re, ~5 10

J Р®>тях

Рис. 5. График оценки интенсификации теплообмена со стороны образца № 2 (рис. 2а):

Ск - доля роста теплоотдачи

Ранее в [2] авторами было получено уравнение для гладкой мягкой поверхности из поливинилхлорида

Шг = 0,5

г\ + рф ф Л

GrPr

0,25

(2)

где рф ф - плотность распределения вероятностей. С учетом коэффициента Ск (2) перепишется

NU/c = 0,5СК

г\ + рф ф Л

GrPr

0,25

(3)

Анализ процесса разрушения ламинарного слоя представлен рис. 6.

2

2

Образец № 1

Образец № 2

Рис. 6. Исследование теплоотдачи отопительного прибора (от поверхности образцов № 1 и 2 к обогреваемому окружающему воздуху) с использованием тепловизора ТЪегшоТгапсег ТН7700 (тарировка цветовой картины выполнена по показанию термопары ТХК)

В Ы В О Д Ы

Авторами предложена мягкая пленка в качестве покрытия гладкой по-ливинилхлоридной поверхности отопительного прибора, имитирующая искусственную шероховатость теплоотдающей поверхности.

Изучена внешняя теплоотдача отопительного прибора с турбулизиру-ющей поток воздуха пленкой, интенсифицирующей теплоотдачу к окружающему воздуху отапливаемого объекта.

Записано критериальное уравнение для расчета внешней теплоотдачи.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Т е п л о- и массообмен: учеб. пособие: в 2 ч. / Б. М. Хрусталев [и др.]. - Минск: БНТУ, 2007. - Ч. 1. - 606 с.

2. О ц е н к а теплоотдачи отопительного прибора системы теплоснабжения с вихревым теплогенератором / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2012. - № 6. - С. 46-52.

3. Ж у к а у с к а с, А. А. Конвективный перенос в теплообменниках / А. А. Жукаускас. -М.: Наука, 1982. - 472 с.

Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 01.04.2013