CC BY
8Повышение эффективности теплоотдачи калорифера с использованием пульсирующего потока воздуха
со см о см
со
о ш т
X
<
т о х
X
Мальцев Сергей Александрович,
кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетических систем, Институт механики и энергетики, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», malcevca@mail.ru
Кузнецов Дмитрий Витальевич,
кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетических систем, Институт механики и энергетики, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», kuznetsov.d.v@yandex.ru
Артемов Илья Игоревич,
бакалавр, Институт механики и энергетики, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», ilya.artemov.2002@inbox.ru
Объектом разработки является экспериментальная установка с пульсирующим потоком воздуха в контуре калорифера, представляющего собой два водо-воздушных теплообменника с вентилятором, установленных в одном корпусе. Повышение эффективности теплоотдачи достигается путем создания пульсации воздуха при прохождении его через теплообменники. Разработана, смонтирована и испытана установка калорифера с новым типом генератора пульсаций воздуха на основе вентиляционной решетки жалюзийного типа с электроприводом, дающей возможность преобразовывать поток воздуха в пульсирующий через открывание и закрывание жалюзи решетки. В результате эксперимента получены зависимости эффективности нагрева воздуха в непрерывном и пульсирующем потоках с различной производительностью вентилятора. Ключевые слова: энергоэффективность, пульсирующий поток, производительность вентилятора, температура воздуха, расход жидкости, калорифер, вентиляционная решетка, коэффициент теплопередачи.
Повышение энергетической эффективности, а также снижение энергопотребления на сегодняшний день непосредственно определяют развитие экономики страны. Необходимый функционал современной экономики это энергетическая безопасность, определяемая как связь между национальной безопасностью и доступностью для потребления природных ресурсов и более дешевой энергии, а также экологическими факторами, позволяющими снизить загрязнения окружающей среды [1].
Повышение эффективности теплопередачи от различных поверхностей всегда было одной из проблем, на которую ученые разных стран обращали пристальное внимание. Возникший в 70-х годах прошлого столетия мировой энергетический кризис способствовал развитию технологий теплопередачи.
Активная технология улучшения теплообмена требовала создания внешних условий для достижения целей усиления теплопередачи, включая механические методы, электромагнитного поля, методы струйного удара.
Нестационарный тепловой поток привлекает внимание многих ученых из-за уникальности его физических свойств. Теплообмен при помощи пульсирующих потоков относится к нестационарным технологическим потокам, приложениям теплопередачи и требует глубокого изучения.
В работах многих известных ученых изучаются актуальные проблемы интенсификации в процессах теплообмена [2]. Актуализация этой проблемы является признаком развития исследований теплообмена с пульсирующим потоком. На основании исследований, ученые часто приходят к заключению, что организация колебаний увеличивает интенсивность теплообмена.
В ряде работ [3, 4] проведены исследования применения импульсного режима течения теплоносителя способствующего повышению коэффициента теплопередачи в пластинчатых теплообменниках.
Сопротивление конвективной теплопередачи между жидкостями играет существенную роль в теплопередаче. Пульсация жидкости может разрушить тепловой пограничный слой, изменить тепловое сопротивление, и, таким образом, теплопередача может быть улучшена. Пульсация вызывает значительные изменения числа Нусселя, а основными факторами являются частота и амплитуда пульсации, числа Прандтля и Рейнольдса жидкости [5].
Уже сегодня ученые приходят к выводу, что применение импульсного режима течения жидкости приводит к интенсификации теплообмена порядка 20% в сравнении со стационарным режимом. При этом пульсирующий поток более эффективен по основным показателям, среди которых коэффициент теплопередачи и тепловая мощность [6].
Целью нашей работы является исследование эффективности теплоотдачи экспериментального образца калорифера на основе создания пульсаций воздушного потока.
Для исследования пульсирующего потока воздуха была предложена функциональная схема экспериментальной установки (рис.1).
1, 7, 9, 11, 13 - термопреобразователи сопротивления; 2 -гидроаккумулятор;
3 - манометр; 4 - электромагнитный преобразователь расхода; 5 - ручной балансировочный клапан; 6 - циркуляционный насос; 8 - вентилятор блока калорифера; 10, 12 - водо-воз-душные теплообменники; 14 - воздушная жалюзийная заслонка; 15 - электрический привод заслонки Рис. 1. - Функциональная схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка состоит из комплекса, включающего блок калорифера, циркуляционный насос, гидроаккумулятор, балансировочный клапан, электромагнитный преобразователь расхода циркулирующей жидкости, измерительный модуль МВА 8 (рис. 2). Калорифер представляет собой устройство, включающее вентилятор, создающий расход воздуха в диапазоне 50350 м3/ч и два водо-воздушных теплообменника установленных последовательно в панельно-каркасной конструкции корпуса. На выходе из корпуса уставлена жа-люзийная решетка с электрическим приводом.
Измерительный комплекс установки включает электромагнитный преобразователь расхода жидкости Ма-стерфлоу 4, производства НПО «Промприбор» (рис. 1), термопреобразователи сопротивления типа ДТС 1 и 7 для измерения температуры нагретой среды до и после теплообменника и термопары 9,11, 13 для измерения температуры воздушного потока в разных точках блока калорифера.
Для ввода аналоговых сигналов в персональный компьютер использовался модуль ввода данных МВА 8. В корпусе размещена плата, на которой располагаются элементы схемы прибора [7].
Во время работы устройство контролирует работоспособность подключенных к нему первичных преобразователей и передает сообщения через сетевой интерфейс RS-485. Программирование модуля МВА 8 производилось с помощью программы «Конфигуратор МВА 8» [7-9]. В различных режимах работы вентилятора определялся расход воздуха через установку с использованием МЭС-200А.
Для обеспечения циркуляции греющей среды в контур установки включен насос Wilo. Изменение расхода среды жидкости возможно вручную с помощью балансировочного клапана. Сглаживание возможного гидравлического удара в системе воспринимается мембраной гидроаккумулятора.
Рис. 2 - Внешний вид экспериментальной установки
Пульсирующий поток был организован с помощью стандартной вентиляционной решетки и электропривода, частота которого задается реле времени. Схема электропитания электропривода показана на рис. 3.
1 - источник питания 12 В постоянного тока; 2, 5 - реле напряжения;
3 - электропривод, 4 - реле времени РВК-1М Рис. 3. - Электрическая схема питания электропривода заслонки
Для каждого научного исследования главное иметь разумную экспериментальную среду для получения достоверных результатов.
Исследования, определяющие эффективность нагрева воздуха с применением пульсирующего воз-
О ГО А J=
fO CN
0
cs
pi
01
о
Ш
m
X
3
<
m о x
X
душного потока в калорифере, по сравнению с непрерывном воздушным потоком, проводились при определенных условиях микроклимата в лаборатории. Температура воздуха на входе изменялась в пределах от 25,0 до 25,3°С, относительная влажность - от 27 до 30%. Эксперимент проводился с тремя режимами работы вентилятора калорифера заданные с помощью переключателя режимов его работы. Скорость воздуха при первом режиме работы вентилятора составила 1,18 м/с, при втором - 1,45 м/с, при третьем - 1,79 м/с. Внутренние размеры проходной секции экспериментальной установки составляют 260*205 мм. Расчет определяет расход воздуха при работе вентилятора на первой скорости 226 м3/ч, на второй - 278 м3/ч, на третьей - 343 м3/ч.
Котел в экспериментальной установке поддерживает постоянную температуру в контуре (на схеме не указан). Диапазон нагрева составляет от 0 до 100°С . Постоянная температура поддерживается с помощью термостата, питание котла от сети 220 В.
Вентиляционной решетки с регулируемым сечением применялась для создания режима пульсирующего воздушного. Решетка имеет заслонку, которая с помощью жесткого стержня совершает возвратно-поступательные движения с помощью электропривода, тем самым открывая и закрывая путь для движения воздуха.
На начальном этапе эксперимента установка включалась с вентилятором, работающим на первой скорости. Режим расхода жидкости изменился с минимального расхода 50 кг/ч до максимального 200 кг/ч. При одинаковых условиях работы вентилятора и режиме потока жидкости параметры воздуха и нагретой жидкости регистрировались в пульсирующих и непрерывных потоках воздуха. Затем работа вентилятора переключается на второй и третий режим, и измерения повторяются.
В результате планирования экспериментов определяется количество и последовательность экспериментов, которые обеспечивают достижение поставленных целей исследования с требуемой точностью и надежностью.
На рисунке 4 показано значение данных, выводимых компьютером.
Имя гирамсфл
Pie В® в
Г® В™ №4
Перни Значение
КИ ¡5.4
110 31.5
ИОЛ «.I
им
ж 49.9
1000 46.1
1М0
Рис. 4. - Окно компьютера с индивидуальными параметрами входов МВА 8 в преобразованном виде для одного из режимов
Введем критерий эффективности работы калорифера. Критерий эффективности в пульсирующем и непрерывном потоках воздуха определяли по формуле
t — t
Е = l-3—L 100% ■ хх — -
где -з - температура воздуха после второго водо-
воздушного теплообменника калорифера, °С; -1 - температура воздуха перед первым водо-воздушным теплообменником калорифера, °С; 7"i - температура теп-лоотдающей жидкости на входе в установку, °C.
Результаты измерений и расчета критерия эффективности опытного образца калорифера с непрерывным и пульсирующим режимами подачи воздуха обобщены в таблицах 1 и 2.
Полученные результаты графически показаны на рисунках 5 и 6.
Таблица 1
Результаты измерений и расчета критерия эффективности многофакторного эксперимента с непрерывным потоком воздуха
Про- Рас- Темпера- Температура воз- Из- Крите-
изво- ход тура теп- духа мене- рии
дитель- тепло лоноси- ние эф-
ность -носи- теля тем- фек-
вен- теля на на на после 1- на пера- тив-но-
тиля- G, кг/ч вход вы- вход го вы- туры стии
тора е Т1, ходе е тепло- ходе воздуха Е, %
L, м3/ч □ т2, □ ti, °С обмен- t3, °С Д^ °С
ника
t2, □
226 50 40,8 36 25,2 28,6 34,9 9,70 62,18
226 100 41,2 37,8 25,2 28 35,5 9,60 64,38
226 150 41,8 38,8 25,3 29,2 36,2 11,90 66,06
226 200 49 46,1 25,4 31,6 41,8 16,40 69,49
278 50 42,2 33,4 27,1 28,7 34,0 3,30 45,70
278 100 42,3 39,2 25,5 28,1 35,8 10,30 61,31
278 150 42,7 38,9 25,5 28,8 36,3 10,80 62,79
278 200 46,6 42,7 25,5 30,3 39,3 13,80 65,40
343 50 46,7 36,9 27,4 29,6 31,6 4,20 21,76
343 100 46,3 38,7 27,4 30,1 32,3 4,90 25,93
343 150 50,2 42,9 27,7 31,3 34 6,30 28,0
343 200 46,7 42,5 27,7 32,5 35,5 7,80 38,95
На рис. 7 представлен график зависимости средней, по расходу теплоносителя, разницы критерия эффективности калорифера между пульсирующим и непрерывным движением нагреваемого воздуха при разной производительности вентилятора.
Как видно из представленных таблиц и графиков, эффективность нагрева воздуха в калорифере, как с пульсирующим потоком воздуха, так и непрерывным, возрастает при увеличении подачи греющей среды и уменьшении производительности вентилятора.
Таблица 2
Результаты измерений и расчета критерия эффективности многофакторного эксперимента с пульсирующим пото-
Про- Рас- Темпера- Температура воз- Из- Крите-
изво- ход тура тепло- духа мене- рии
дитель- тепло носителя ние эф-
ность -носи- на на на после 1- на тем- фек-
вен- теля вход вы- вход го вы- пера- тив-но-
тиля- G, кг/ч е Т1, ходе е тепло- ходе туры стии
тора L, м3/ч □ т2, □ t1, °С обмен-ника t2, □ t3, °С воздуха Д^ °С Е, %
226 50 40,8 36 25,2 28,7 35,4 9,90 65,38
226 100 41,2 37,8 25,2 28,1 35,9 9,70 66,88
226 150 41,8 38,8 25,3 29,2 36,6 12,00 68,48
226 200 49 46,1 25,4 31,6 42,3 16,60 71,61
278 50 42,2 33,4 27,1 28,8 34,4 3,40 48,34
278 100 42,3 39,2 25,5 28,2 36,3 10,50 64,29
278 150 42,7 38,9 25,5 28,9 36,8 11,00 65,70
278 200 46,6 42,7 25,5 30,4 39,8 14,00 67,77
343 50 46,7 36,9 27,4 29,7 32,2 4,30 24,87
343 100 46,3 38,7 27,4 30,2 32,7 5,00 28,04
343 150 50,2 42,9 27,7 31,4 34,5 6,50 30,22
343 200 46,7 42,5 27,7 32,6 35,6 8,00 41,58
Как видно из результатов обработки эксперимента, эффективность нагрева в пульсирующем режиме незначительно возрастает с 3,8 до 8,4%.
Исследования показали, что эффективность теплопередачи пульсирующего потока немного выше, чем у установившегося потока, что указывает на то, что пульсирующий поток может повысить эффективность теплопередачи теплообменника. Причина, по которой пульсация улучшает теплопередачу, заключается в том, что пульсирующий поток увеличивает турбулентность потока, тем самым увеличивая коэффициент теплопередачи.
Рис. 5. - Сравнительный график зависимости эффективности нагрева в непрерывном и пульсирующем потоках воздуха при различных подачах теплоносителя и производительности вентилятора
КС « 14
ш
226 226 226 226 27S 278 278 278 343 343 343 343
L, мЗ/ч
Рис. 6. - Изменения критерия эффективности в пульсирующем потоке воздуха относительно непрерывного потока при различных подачах теплоносителя и производительности вентилятора
Рис. 7. - Зависимость среднего по расходу теплоносителя значения критерия эффективности в пульсирующем потоке воздуха относительно непрерывного от различной производительности вентилятора
Путем сравнения экспериментальных данных установлено, что при одном и том же расходе жидкости, чем больше скорость воздушного потока, тем ниже эффективность теплопередачи.
Можно сказать что, режим наибольшего расхода теплоносителя не всегда является целесообразным и многое зависит от преследуемых целей использования установки [10]. Если перед нами стоит задача повышения энергоэффективности калорифера за счет увеличения теплопередачи, то, как показали опыты, следует рассматривать возможность использования пульсирующего потока воздуха или импульсного режима течения теплоносителя.
Литература
1. Лепеш Г.В. Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений / Г.В. Лепеш; Санкт-Петербург : Изд-во Санкт-Петербургского гос. экономического ун-та, 2014. - 437 с.
2. Попов И.А. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена / И.А. Попов, Х.М. Махянов, В.М. Гуреев. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. - 560 с.
3. Qian Hao, Kudashev Sergei, Plotnikov Viktor. Pulsating enhanced heat transfer // Бюллетень науки и практики, 2019, №8. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/pulsating-enhanced-heat-transfer.
4. Левцев А.П. Импульсные системы тепло- и водоснабжения / А.П. Левцев, А.Н. Макеев. Саранск: Изд-во Мордов. Ун-та, 2015. - 172 с.
5. Physical principles and state-of-the-art of modeling of the pulsating heat pipe: A review Vadim S. Nikolayev Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France.
6. Кузнецов П.Н. Повышение интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках / П.Н. Кузнецов, К.А. Миндров, А.А. Кузнецов, И.Ю. Бекшаев, А.А. Инчин, А.В. Охотников, С.В. Чугунов // Инженерный вестник Дона, 2022, №6. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2022/7748.
7. Кузнецов Д.В. Повышение энергетической эффективности привода диафрагменного насоса для объектов малой энергетики / Д.В. Кузнецов, С.А. Мальцев, И.Н. Артемов // Инженерный вестник Дона, 2021, №5. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2021/6963.
8. МВА8. Модуль аналоговый измерительный : Руководство по эксплуатации. Овен Центральный офис: 111024, Москва, 2-я ул. Энтузиастов, д. 5, корп. 5, www.owen.ru Рег. № 2172. - 88 с.
9. Simbert W. M. Circuits, signals, systems. Translation from English, in 2 parts. Part 1.-M.: World, 1988. - 336 p.
10. Кузнецов Д.В. Исследование макетного образца рекуперативного охладителя воздуха для жилого помещения / Д.В. Кузнецов, С.А. Мальцев, А.А. Пичушкин, С.В. Клоков // Дневник науки, 2022, №5 (65). URL: http://www.dnevniknauki.ru/images/publications/2022/5/tec hnics/Kuznetsov_Maltsev_Pichushkin_Klokov.pdf.
Increasing the efficiency of heat transfer of a heater using a pulsating
air flow
Maltsev S.A., Kuznetsov D.V., Artemov I.I.
Mordovian State University named after V.I. N.P. Ogarev JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90
I I О CD А J=
The object of development is an experimental installation with a pulsating air flow in the heater circuit, which is two water-air heat exchangers with a fan installed in one housing. Increasing the efficiency of heat transfer is achieved by creating a pulsation of air as it passes through the heat exchangers. A heater installation with a new type of air pulsation generator based on a louvre-type ventilation grille with an electric drive was developed, installed and tested, which makes it possible to convert the air flow into a pulsating one by opening and closing the louvre shutters. As a result of the experiment, dependences of the efficiency of air heating in continuous and pulsating flows with different fan performance were obtained. Keywords: energy efficiency, pulsating flow, fan performance, air temperature, fluid flow, heater, ventilation grille, heat transfer coefficient. References
1. Lepesh G.V. Energy saving in life support systems of buildings and
structures / G.V. Lepesh; St. Petersburg: Publishing House of the St. Petersburg State. University of Economics, 2014. - 437 p.
2. Popov I.A. Physical foundations and industrial application of heat transfer
intensification / I.A. Popov, Kh.M. Makhyanov, V.M. Gureev. Kazan: Center for Innovative Technologies, 2009. - 560 p.
3. Qian Hao, Kudashev Sergei, Plotnikov Viktor. Pulsating enhanced heat
transfer // Bulletin of Science and Practice, 2019, No. 8. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/pulsating-enhanced-heat-transfer.
4. Levtsev A.P. Impulse systems of heat and water supply / A.P. Levtsev, A.N.
Makeev. Saransk: Publishing House of Mordov. Univ., 2015. - 172 p.
5. Physical principles and state-of-the-art of modeling of the pulsating heat
pipe: A review Vadim S. Nikolayev Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay, 91191 Gif- sur Yvette Cedex, France.
6. Kuznetsov P.N. Increasing the intensification of heat transfer in shell-and-
tube heat exchangers / P.N. Kuznetsov, K.A. Mindrov, A.A. Kuznetsov, I.Yu. Bekshaev, A.A. Inchin, A.V. Okhotnikov, S.V. Chugunov // Engineering Bulletin of the Don, 2022, No. 6. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2022/7748.
7. Kuznetsov D.V. Improving the energy efficiency of the diaphragm pump
drive for small power facilities / D.V. Kuznetsov, S.A. Maltsev, I.N. Artemov // Engineering Bulletin of the Don, 2021, No. 5. URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2021/6963.
8. MBA8. Analog measuring module : Operation manual. Aries Central office:
111024, Moscow, 2nd st. Enthusiastov, d. 5, bldg. 5, www.owen.ru Reg. No. 2172. - 88 p.
9. Simbert W. M. Circuits, signals, systems. Translation from English, in 2
parts. Part 1.-M.: World, 1988. - 336 p.
10. Kuznetsov D.V. Study of a model sample of a recuperative air cooler for a residential area / D.V. Kuznetsov, S.A. Maltsev, A.A. Pichushkin, S.V. Klokov // Diary of Science, 2022, No. 5 (65). URL: http://www.dnevniknauki.ru/images/publications/2022/5/technics/Kuznet sov_Maltsev_Pichushkin_Klokov.pdf.
fO CN
o
CN fO
O m m x
<
m o x
X
