CC BY
6
УДК 697:696.628.8
Е С. МАЛКИ, М.А. КИРИЧЕНКО, Н.В. ЧЕПУРНА
Кшвський нацюнальний ушверситет будавництва i архгтектури
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕС1В В ЕЛЕКТРИЧНИХ ПОВ1ТРЯНИХ
ОПАЛЮВАЛЬНИХ АГРЕГАТАХ
Робота присвячена дослгдженню теплових проце^в в електричних нагргвачах при омиванш трубних пучк1в неоднор1дним закрученим повтряним потоком вгд осьового вентилятора. Осьовi вентилятори формують нерiвномiрний повiтряний потж перед нагрiвальним трубним пучком, що вносить сво'1 особливостi в тепловiддачу даного пучка до повтряного потоку. Початкова нерiвномiрнiсть nовiтряного потоку в трубному пучку розповсюджуеться як по перерiзу пучка, так i по його глибит, що ускладнюе визначення коефщента тепловiддачi трубного пучка.
Ключовi слова: тепловiддача, повiтряний потж, трубний пучок, вентилятор, швидюсть, температура, електричний нагрiвач.
E.S. MALKIN, M.A. KYRUCHENKO, N.V. CHEPURNA
^iv National University Construction and Architecture
RESEARCH OF THERMAL PROCESSES IS IN ELECTRIC AIR HEATER AGGREGATES
Abstract
Work is sanctified to research of thermal processes in electric heaters at flowing around of pipe bunches the heterogeneous involute current of air from an axial ventilator. Axial ventilators form the uneven current of air before a heater pipe bunch that brings in the features in heat emission of this bunch to the current of air. The initial unevenness of current of air in a pipe bunch spreads both on the section of bunch and on his depth, that hampers determination of coefficient of heat emission pipe bunch.
Keywords: heat emission, current of air, pipe bunch, ventilator, speed, temperature, electric heater.
Постановка проблеми
Електрокалориферна техшка е одтею з галузей опалювально-вентиляцшно! техшки, що швидко розвиваеться. Зниження енерговитрат на опалення можна досягти удосконаленням систем опалення шляхом штенсифшацп теплообм^ в опалювальних приладах i3 використанням сучасних мaтерiaлiв, переходом на перервш режими 1х роботи та широким впровадженням систем вимiру й автоматики.
Традицшне використання трубчастих нaгрiвaчiв в опалювальних приладах не завжди ввдповщае екологiчним i технологiчним вимогам. Крiм того, у свiтовiй прaктицi недостатньо повно розроблено питания тепловiддaчi нaгрiвaчiв при нерiвномiрно-розподiленому турбулентному потоцi повгтря в кaнaлi, що призводить до невщповщносп розрахункових даних iз дшсними реальними умовами роботи. Рiшення зi створення високоефективних електрокaлориферiв потребуе подальшого нaуково-технiчного обгрунтування, яке дасть можливють пiдвищити технiко-економiчнi i сaнiтaрно-гiгiенiчнi показники.
Аналiз останшх дослiджень i публжацш Зaкономiрнiсть тепловiддaчi в коридорних та шахових пучках трубок всi без винятку вченi встановлювали для третього та наступних рядiв, коли турбулентнють потоку приймала стaбiльний характер, притаманний даному пучку. При невисок1й ступеш турбулентностi потоку, який нaбiгaе, тепловщдача першого ряду шахового пучка складае 60 % тепловiддaчi третього та наступних рядiв, другого ряду - 70 %. У коридорному пучку тепловщдача першого ряду складае 60 %, другого - 90 %. Зростання тепловiддaчi по рядам пояснюеться додатковою турбулiзaцiею потоку в трубному пучку. Однак, якщо повiтряний попк, що нaбiгaе на трубний пучок, значно штучно турбулiзовaний (наприклад, рiзними турбулiзуючими пристроями або пiсля проходження через вентилятор), то тепловiддaчa початкових рядiв повинна значно зрости та вплинути на загальний теплообмш пучка. Так, у вадповадносп до приведених даних у науковш робоп [5], при штучшй турбул1зацп повиряного потоку, який набтае на трубний пучок, досягалося збiльшення коефiцiентa тепловiддaчi трубного пучка на 8 % (у порiвняннi з пучком без додатково! штучно! турбулiзaцil).
Бшьшсть пучков трубок у дiйсних умовах працюе в потоцi нерiвномiрного обдування 1х повiтрям, i ця нерiвномiрнiсть теж впливае на тепловвддачу перших рядiв.
У розглянутих роботах [1, 2, 3, 4, 5] немае вичерпно! вщповщ на цi питання, яш е дуже актуальними при проектуванш та експлуатаци калориферних установок.
Формулювання мети досл1дження
Метою дано! роботи е дослщження теплових процесiв в електричних повпряно-опалювальних агрегатах в умовах обтiкання трубчастих пучков нерiвномiрним турбулентно-пульсуючим закрученим повпряним потоком.
Викладення основного матер1алу досл1дження
Тепловий режим вентиляцiйно-опалювального агрегату формуеться сукупнiстю теплових та динамiчних характеристик середовища (повiтря) як ззовнi, так i всерединi конструкци нагрiвальних елеменпв та температурного розподiлу на !х поверхнi.
Тепловий режим вентиляцшно-опалювального агрегату фактично е результатом взаемного впливу двох складових теплообмiну: конвективного та променистого. На рис.1 наведена фiзична модель вентиляцшного опалювального агрегата.
Рис.1. Ф1зична модель вентиляц1йно-опалювального агрегата: Оел- к1льк1сть теплоти, що п1дводиться; Оконв - к1льк1сть теплоти, що передаеться в1д нагр1вальних елемент1в до пов1тряного потоку конвективним теплообм1ном; Опром - кшьккть теплоти, що передаеться в1д нагр1вальних елемент1в за рахунок променистого теплообмшу; Qтв - тепловтрати вентиляцшно-опалювального агрегата кр1зь корпус; Qстк0нв - конвективна складова теплообм1ну в1д нагр1то1 поверхн1 корпусу до повггря; Qствiдб , Qтвiдб - променистий тепловий пот1к, що в1дриваеться ввд нагр1вальних елемент1в
(трубок) та стшок корпусу агрегата
Променева складова при данш фiзичнiй модел1 не мае визначального характеру. Процеси, яш ввдбуваються всерединi пучка труб, а саме багаторазове вiдбиття рстВ1дб та ртвщб (з подальшим поглинанням), не призводять до значних теплових втрат. Поверхш, як1 беруть участь в даних процесах, знаходяться шд постiйним впливом (омиванням) повiтряного потоку, що вщображаеться конвективною складовою теплообмiну.
Крайнi ряди пучшв труб, як1 безпосередньо входять в контакт (променистий теплообмiн Опром) з поверхнями поза нагрiвального агрегату (оточуючi поверхнi), також становлять незначну частину загального теплового потоку i можуть бути вирахуванi за загальноввдомими залежностями [1, 2, 3].
Для спрощення вирiшення рiвняння теплового балансу вентиляцшно-опалювального агрегату складовi рпром , можна спростити (спираючись при цьому на данi, отриманi у ходi експериментальних дослiджень), а саме шляхом вщнесення !х в частщ до загального теплового потоку. Рiвняння теплового балансу матиме вигляд:
Озаг О ел Рконв+к О ел , (1)
де к - коефiцiент, який показуе долi теплового потоку, що передаеться не основним видом теплопередачi
конв).
Визначальним видом теплопередачi в данш фiзичнiй моделi е конвективний теплообмш.
Тепловщдача трубного пучка залежить, головним чином, ввд швидкосп потоку, розташування трубок, властивостей потоку, який набтае, теплового навантаження i направлення теплового потоку. У безрозмiрному вигляд! цей зв'язок представлений рiвнянням:
( Ц/ кг Су Р/ ^ ^
Ш=/
Яе, Рг, , , , , ,
цт ст р„ ё ё
(2)
Особливютю ф!зично! модел1 на рис. 1 е И ввдповвдшсть дшчим моделям вентиляцшно-опалювальних агрегатiв. Вiдповiдно до цього, необхвдно звернути увагу на формування повiтряного потоку пiсля осьового вентилятора перед пучком нагр!вальних труб.
Безпосередньо тсля осьового вентилятора формуеться поле швидкостi !зотерм!чно! асиметрично! струмини зi штучно створеною турбулентнiстю.
Шсля виходу з осьового вентилятора потж повiтря закручений. Крiм осьово! присутня к1льцева складова швидкостi та зворотнш потiк повiтря, як1 напряму шяк не враховуються, а !х наслвдки ввдображаються тiльки на конвективному теплообмш.
Швидк1сть повiтряного потоку, ступiнь його турбулентносп (як початкова, так i сформована всерединi трубного пучка) та рiвномiрнiсть або нерiвномiрнiсть повiтряного потоку по перерiзу каналу i глибиш трубного пучка будуть вирiшальними важелями впливу на тепловий режим агрегата.
Тепловщдача трубних пучшв дослiджувалася у роботах [1, 2, 3, 4, 5]. З них випливае, що найефектившша тепловiддача спостерiгаеться за умови утворення турбулентного пограничного прошарку. При дослвдженнях установлено, що початок переходу ламшарного прошарку до утворення турбулентного теплового прошарку залежить ввд величини Яв i ступенi турбулентностi зовшшнього потоку, а з !х збшьшенням тепловий турбулентний потiк рiзко змiщуеться в сторону лобово! областi цилшдру. Початкова турбулiзацiя повiтряного потоку спонукае проникнення турбулентних вихрiв у пограничний прошарок на трубi. Це явище призводить до значного зростання штенсивносп процесу тепловiддачi, сильнiше цей вплив проявляеться в областi ламiнарного руху.
Ступiнь штучно! турбулентностi потоку залежить ввд багатьох факторiв. Важливим фактором е природа виникнення турбул1заци потоку. У випадку, коли штучним турбулiзатором виступае вентилятор, на практищ важко врахувати (визначити) ступiнь турбул!заци. У загальному випадку ступiнь турбул!заци потоку враховуеться величиною Ти (стутнь турбул!заци потоку), яка характеризуеться шнетичною енергiею руху повiтря Е. Для визначення величини Е необхвдно знати пульсацшш складовi швидкостi в точках турбулентного потоку. Визначення пульсацшних складових швидкостi викликае велик! труднощi, яш спричиненi досить складним характером повпряного потоку на виходi з вентилятора.
Початкова турбулiзацiя закрученого повпряного потоку (за рахунок осьового вентилятора) iнтенсифiкуе процес тепловiддачi в зон! пiдвищених швидкостей та пульсацiй i зменшуе штенсившсть тепловiддачi в зон! низьких швидкостей повпря. Дал1 при проходженш кожного ряду ввдбуваеться зменшення нер!вном!рносп швидкостей потоку ! пульсацш.
Розподвд повпряного потоку м!ж рядами трубного пучка при коридорному розташуванш труб наведений на рис. 2.
Нер!вном!рний розподвд потоку на входному перер!з! теплообмшника може бути спричинений багатьма факторами. У бвдьшосп теплообмшних установках нер!вном!рний розподш спричинений встановленням вентилятора (осьового чи ввдцентрового) на нагнпання. Кр!м того, на вх1дний повиряний потж накладаеться вихровий рух.
Необхвдно звернути увагу на те, що по м!р! розповсюдження повпряного потоку повпря у глибину трубного пучка, початкова нер!вном!ршсть ! закручешсть потоку буде ослаблюватися. На рис. 2 наведено, як змшюеться розподвд швидкосп повпря по перер!зу ! глибиш трубного пучка. По м!р! руху потоку повпря в глибину пучка повиряний потж набуватиме стандартного вигляду, як при омиванш трубного пучка р!вном!рним потоком.
Теплообмш у рухомому середовищ! залежить ввд багатьох фактор!в: форми, розм!р!в ! температури поверхш нагр!ву, швидкосп, характеру руху, температури ! ф!зичних властивостей робочого середовища та ш.. У бвдьшосп випадшв деяк1 ф!зичш параметри е перемшними ! залежними один ввд одного. При конвективному теплообмш м1ж температурним та швидк1сним полем е псний зв'язок. З одного боку, в потош повпря поле температур залежить ввд поля швидкосп та його змш, а з шшого -змша температури явно зм!нюе в'язшсть та шш! ф!зичш властивосп, що також викликае змши швидк1сного поля.
Звичайно, нер!вном!рний вхвдний потж легко вир!вняти шляхом встановлення, так звано!, стабiлiзацiйно! д!лянки або направляючих лопаток. Габаритш розм!ри, металоемк1сть, варпсть електрокалориферних установок не завжди дозволяють використовувати вдеальну схему подводу вхвдного потоку.
Рис. 2. Розподш повггряного потоку в трубному пучку при коридорному розташуванш труб: а) перший ряд трубок; б) третш ряд трубок; в) шостий ряд трубок; г) дев'ятий ряд трубок
Увага авторiв опублшованих робгг в основному зосереджувалась на оцiнцi ефекпв нерiвномiрного розподiлу шляхом використання аналггичних моделей, у яких коефiцieнти тепловвддач^ що входять в число вихвдних даних, визначались на основi деякого припущення. Наприклад, в одних роботах використовувалися коефщенти тепловiддачi для рiвномiрно розподiлених потоков, а в шших рахували справедливим просте ступеневе вщношення м1ж коефiцieнтами тепловiддачi i масовщдачг До цих пiр не проводилися поглиблено вимiри коефiцieнтiв тепловiддачi в теплообмшниках з нерiвномiрним розподiлом потоку на вход^
При вимушенiй конвекци повiтря величина коефiцieнта тепловiддачi в основному залежить вiд швидкосп повггряного потоку. На практигц залежнють парамстр1в. яка представляе теплову ефективнють вад характеру руху, вадповадно до наукових роби [1, 2, 3], являе собою залежнють:
№ = с Яет Рг' -с..
(3)
У критерш Хи входить величина а (коефщент тепловщдач1), у критерш Не входить величина со (швидкють повиряного потоку). Приведена залежнють використовуеться в ¡нжснсрних розрахунках для знаходження середшх значень коефпрентш тепловщдач1. Для знаходження величини а необхадно мати iнформацiю про профiль швидкосп потоку на входi у поперечному перерiзi каналу електрокалориферно! установки. За цими даними визначаеться середня швидшсть потоку в канала Узагальнююча залежнють по визначенню середньо! швидкостi мае вигляд:
ю = — 11 со^Е .
Р я?
(4)
Для визначення середньо! вх1дно! швидкосп по перерiзу каналу необхвдно, щоб повiтряний потiк був рiвномiрний по перерiзу каналу (при ламiнарному стабшзованому або турбулентному русi). У дшсносп потiк по перерiзу каналу не е рiвномiрним, причому швидк1сть потоку змiнюеться по перерiзу каналу на значну величину.
Повiтряний попк по перерiзу каналу (див. рис. 2) розподметься на двi зони: 1 - зона з низькою циркулящею; 2 - зона з високою швидкютю повиряного потоку. Як наслщок, першi ряди омиваються одночасно двома потоками з рiзними режимами у вщповвдносп до зон. Тому е необхвдним одночасно розглядати вплив нерiвномiрностi розподiлу потоку на тепловщдачу. Аналiтично неможливо визначити вплив нерiвномiрностi потоку на тепловiддачу трубного пучка, так як змша характеру поперечного розподшу руху повiтря (швидкостi) ще не достатньо вивчена, а база експериментальних дослвджень е досить малою.
Основну увагу необхiдно придiлити експериментальним дослвдженням. Особливiсть дослiджень полягае в тому, що коефщенти тепловiддачi визначаються при нерiвномiрному розподiлi потоку для
кожного ряду окремо з урахуванням режимних зон обтжання (з малою циркуляшею чи високошвидшсною). Отриман коефiцiенти тепловiддачi для кожного ряду при нерiвномiрному входному розподш потоку необхiдно ввднести до коефщенпв тепловiддачi при рiвномiрному розподiлi повиряного потоку за однакових умов. Стушнь ввдхилення ввд одиницi показуватиме, як впливае нерiвномiрний розподiл на коефщент тепловiддачi. При такому представленнi результапв легко виявити зони штенсифшацп i погiршення теплообмiну. Крiм цього, можна буде зафiксувати розповсюдження нерiвномiрностi входного потоку по глибинi пучка труб, а також вирiвнювання потоку по мiрi ослаблення нерiвномiрностi.
Теплообмiн пучка труб при нерiвномiрному входному потоку повиря можна буде подати у виглядi залежностi типу (3).
Для перших ряда при визначенш коефщента тепловцщач1 вцщосно середнього коефпцента тепловцщач!, який визначаегься за загальновадомими залежностями [1, 2, 3], необхадно вводити поправочш коефщенти, що встановлюються за експериментальними дослвдженнями. Залежшсть матиме вигляд:
^г ^нт^сер •>
де ai - коефiцiент тепловiддачi i-ряду (стосуеться перших рядiв);
асер - середнш коефiцiент тепловiддачi;
кнт - коефщент, який враховуе вплив нерiвномiрностi на теплообмiн трубного пучка.
Для глибинних рядiв початкова нерiвномiрнiсть та турбулiзованiсть повiтряного потоку вiд осьового вентилятора не матиме визначального характеру. Першi ряди труб е штучними турбулiзаторами, якi прискорюють формування рiвномiрного потоку як по перерiзу каналу, так i по глибинi пучка труб. На рис. 2. наглядно показано, як вирiвнюеться повпряний потж по перерiзу каналу i по глибиш пучка труб. Аналогiчна ситуац1я ввдбуваеться i з початковою турбулентшстю. Початковий вихровий рух руйнуеться першими рядами труб i формуеться по глибиш пучка труб свш усталений рух (з тою чи шшою турбулентнiстю в залежностi вiд швидкосп та кроку розташування трубок в пучку).
Висновки
1. Теплопередача при омиванш трубних пучков неоднорвдним турбулентно-пульсуючим закрученим повиряним потоком при нагштанш осьового вентилятора в наш час повною мiрою не вивчена та не дослщжена.
2. В експериментальних дослвдженнях слiд в першу чергу звернути увагу на вплив турбулiзованого потоку на першi ряди пучшв труб та вплив початково! турбулентносп на глибиннi ряди трубок. Крiм того, необхвдно звернути увагу на нерiвномiрнiсть повiтряного потоку ввд осьових вентиляторiв, що встановлюються на нагштанш, та дослвдити, як розповсюджуеться нерiвномiрний потiк по перерiзу та по глибиш пучка труб i як ввд цього залежить тепловщдача трубного пучка.
3. Стан теоретичних та експериментальних дослвджень теплообмiну, як1 необхщш при розробцi електрокалориферiв, дещо вщстають вiд темпiв !х упровадження. Iснуючi експериментальнi залежностi необхадно удосконалити.
4. Зменшення маси i габаритов теплообмшних апарапв пов'язано з використанням штенсифжацл теплообмiну за рахунок штучно! турбул1зацп потоку повiтря. Штучним турбул1затором може виступати вентилятор (при встановленш його на нагнгганш повiтряного потоку) або першi ряди трубок (як турбулiзатор, так i вирiвнювач повiтряного потоку по перерiзу i глибинi каналу)
Список використаноТ лiтература
1. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982. - 472 с.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М: Энергия, 1981. - 416 с.
3. Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 392 с.
4. Малин Е.С. 1нтенсифжащя теплообм^ в повиряно-опалювальних агрегатах з трубчастими на^вачами / Е.С. Малкш, М.А. Кириченко, Н.В. Чепурна // Науково-техшчний збiрник «Енергоефектившсть в будiвництвi та архтгектурЬ». Випуск 6. Вiдповiдальний редактор П.М. Кулжов. - К.: КНУБА, 2014 - С. 183 - 187.
5. Пермяков А.Б., Сергеев С.М. Повышение эффективности гладкотрубных конвективных поверхностей нагрева при использовании местных турбулизаторов // Известия Академии Промышленной Экологии. - 1998. - № 3. - С. 54-58.
6. Сперроу Р. Влияние вызванного загромождением неравномерного распределения потока на теплообмен и падение давления в трубном пучке. - Труды Американского общества инженеров механиков. Теплопередача, 1982. - Т. 104. - № 4.
7. Халатов А.А., Онищенко В.Н., Борисов И.И. Аналогия переноса теплоты и количества движения в каналах с поверхностными генераторами вихрей // Доповщ Нацюнально! академи наук Укра!ни. -2007. - №6. - С.70-75.
