Автореферат (Повышение эффективности пластинчатых теплоутилизаторов посредством интенсификации теплообмена на поверхности с овальными лунками)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Потребность в эффективных теплообменных аппаратах велика в любой сфере народного хозяйства, включая промышленнуютеплоэнергетику. Так, расход тепла на подогрев вентиляционного воздуха, какправило, составляет 30-40% от общего теплопотребления промышленных зданий.

Общий потенциал энергосбережения при применении утилизаторов теплоты вытяжного воздуха (расход которого, как правило, эквивалентен расходуприточного воздуха) можно оценить в 20-25% от общего теплопотребленияпромышленных зданий. Более полно реализовать такой потенциал можно, еслиповысить эффективность теплообменных аппаратов с помощью интенсификаторов теплообмена. Основным инструментом утилизации теплоты газовоздушных смесей являются пластинчатые теплообменники-утилизаторы.Среди поверхностных интенсификаторов теплообмена следует выделитьовальные лунки (ОЛ), которые, по мнению ряда исследователей, дают большуютеплоотдачу, чем углубления в виде шаровых сегментов (ШС). Однако, отсутствие четкого представления о структуре вихревого течения в ОЛ в широкомдиапазоне факторов, влияющих на физику процесса, не позволяет количественно определить степень воздействия геометрических и режимных параметров нагидродинамику и теплообмен в каналах, оснащенных данным типом интенсификатора.

Актуальность рассматриваемой тематики подтверждается ещё и ростом числа работ, посвященных интенсификаторам теплообмена (в виде углублений и выступов разной формы), которые при общих равных условиях обеспечивают опережающий рост коэффициента теплоотдачи по сравнению с увеличением коэффициента сопротивления.Цель диссертационной работы. Целью является повышение эффективности пластинчатых теплоутилизаторов посредством использования овальныхлунок на теплопередающей поверхности и метода расчета пластинчатых теплообменников для промышленной теплоэнергетики с данным типом интенсификатора.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:1. Провести экспериментальные исследования по формированию полейтемператур и скоростей в прямоугольном канале с одиночной ОЛ, расположенной на обогреваемой нижней поверхности под углом к набегающему потоку.2. По результатам экспериментов разработать физическую модель (ФМ)для расчета величины локального выброса нагреваемого теплоносителя из ОЛ вядро потока.3. Разработать математическую модель процесса, протекающего на теплообменной поверхности, содержащей источники, имитирующие выбросы тепловой энергии из ОЛ в ядро потока, и обеспечивающие увеличение коэффициентатеплоотдачи реальной поверхности, профилированной овальными лунками.4. Провести сопоставительный анализ тепловых и гидравлических характеристик работы теплообменника «Hoval» и теплообменника с овальными лунками в системе вентиляции, предназначенной для утилизации теплоты газовоздушных выбросов в атмосферу.4Объектом исследования являются пластинчатые теплоутилизаторы с теплообменными поверхностями, содержащие углубления с острыми кромками ввиде ШС или ОЛ, либо овальных выступов (ОВ) аналогичной формы.Предметом исследования является теплогидравлический процесс, протекающий в прямоугольном канале, нижняя стенка которого содержит углубления в виде ШС или ОЛ, либо выступы (той же формы) с разной плотностью ихрасположения.Научная новизна работы.1.

Получены результаты натурного и численного экспериментов, отражающие особенности поведения потока при его взаимодействии с одиночной ОЛ,расположенной на обогреваемой нижней поверхности прямоугольного каналапод углом 45 к набегающему потоку. Исследования выполнены при разныхскоростях набегающего потока (1,8<Re/103<7,2) и глубинах ОЛ(1,26<SОЛ/SП<1,76). Здесь SОЛ и SП - площади овальной лунки и её пятна.2. Разработана физическая модель, впервые описывающая механизм интенсификации теплообмена, основанного на постоянных (а не периодических)выбросах нагреваемого теплоносителя из ОЛ в ядро потока.3. Разработан (на основе физической модели) метод, позволяющий определить величину локальных выбросов нагреваемого теплоносителя из ОЛ в ядро потока, и который может быть использован при определении коэффициентатеплоотдачи для других типов лунок.4. Получены результаты обработки экспериментальных данных, отражающие особенности теплоотдачи на поверхностях, содержащих углубления ввиде ШС или ОЛ (с острыми кромками) или выступы (той же формы) с разнойплотностью их расположения.5.

Выявлен эффект повышения коэффициента теплоотдачи при применении ОЛ вместо лунок в виде ШС и интенсификаторов фирмы «Hoval» в исследованном диапазоне режимных и геометрических параметров и, как следствие,повышение эффективности пластинчатого теплоутилизатора посредством интенсификации теплообмена на поверхности с ОЛ.Достоверность полученных результатов основывается на корректном использовании фундаментальных систем уравнений сохранения энергии и массы,удовлетворительной согласованностью расчётных и экспериментальных данных, применением современных экспериментальных методик и вычислительных комплексов, а также удовлетворительным согласованием результатов исследования с результатами других авторов.Практическая ценность.

Сопоставительный анализ пластинчатых теплоутилизаторов с ОЛ и ОВ со схожими по массо-габаритным характеристикамтеплообменными аппаратами, представленными на рынке и используемыми всистеме вентиляции для утилизации теплоты газо-воздушных выбросов в атмосферу, показал преимущество первых над вторыми в передаваемой тепловоймощности (10-25%). Расчеты показывают, что при расходе воздуха 16500 м3/чпо притоку и 14000 м3/ч по вытяжке через один теплообменник (при общем их5числе 7 штук), экономический эффект составит около 480 тыс. руб/год. Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию для повышения энергетической эффективности систем вентиляции промышленных и бытовых зданий.

Более того, часть данных могут быть использованы в дальнейших исследованиях теплообмена на поверхностях с ОЛ при получении эмпирическихформул, учитывающих иные параметры, ориентацию и плотность расположения интенсификаторов теплообмена, значимых для других областей промышленной теплоэнергетики.Основные положения, выносимые на защиту1.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований, относящиеся к математическому описанию и определению величины теплоты, выносимой воздухом из овальной лунки в ядро набегающего потока.2. Результаты численного моделирования, включая коэффициенты теплоотдачи для канала с овальными лунками, параметры которого максимальноприближены к каналам, применяемым в воздухо-воздушных теплообменниках.3.

Метод расчета теплообменника с овальными лунками и его использование для повышения энергетической эффективности системы механическойприточно-вытяжной вентиляции здания.4. Результаты сравнения тепловых и гидравлических характеристик интенсифицированного теплообменника фирмы «Hoval» с теплообменником, использующим овальные интенсификаторы (лунки и выступы), при применении этихтеплообменников в качестве утилизаторов теплоты вентиляционных выбросов.5. Повышение эффективности пластинчатого теплоутилизатора посредством интенсификации теплообмена на поверхности с овальными лунками.Апробация работы.

Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на XIII, XV, XVI и XX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»(Москва, 2007, 2009, 2010 и 2014 гг.); на III Международной научно – практической конференции СЭТТ 2008; на III Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2008 г.); на Vроссийской национальной конференции по теплообмену (25—29 октября 2010г., Москва); на VI Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности.

Печные агрегаты. Экология»(Москва, 2012 г.); на VI российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-6) (Москва, 2014 г.).Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 12-ти работах, опубликованных в научных изданиях, три из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.Личный вклад автора. Выполнение обзора опубликованных исследований в области интенсификации теплообмена, разработка физической и математической модели, проведение численных и физических экспериментов по моделированию процессов, протекающих в каналах с поверхностными интенсифи-6каторами теплообмена,сравнение теплообменников по эффективности, атакже подготовка статей и докладов по материалам исследований для публикации в рецензируемых журналах и на международных конференциях.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 83-х наименований и 3-х приложений. Общийобъем работы составляет 160 стр., включая рисунки, таблицы и приложения.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, её научная новизна и практическая значимость, а также дано краткое содержание диссертации по главам.В первой главе выполнен обзор литературы и сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Анализ опубликованных исследований показал: большое количество экспериментальных и расчетных данных по теплообмену в каналах с углублениями различной формы, а также отсутствие ФМ,проясняющей механизм интенсификации теплообмена для различных видовуглублений в широком диапазоне варьируемых параметров; большая часть исследований выполнена для ШС, при этом для ОЛ, расположенных под углом к потоку, произведено только численное моделирование и ряд визуальных экспериментов в узких областях чисел Re и характеристик интенсификаторов.

Нет ФМ, отражающей факт интенсификации теплообмена за счет выноса теплоты теплоносителем из ОЛ в ядро потока; все проведенные исследования дают хорошее совпадение результатов вчасти утверждения об опережающем росте коэффициента теплоотдачи по сравнению с ростом гидравлического сопротивления, что делает лунки (различнойформы) перспективными интенсификаторами теплообмена на данный момент.Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса вихреобразования в одиночной лунке и физическая модель длярасчета передаваемого количества теплоты из одиночной лунки в ядро потока.Рисунок 1 - Экспериментальная установкаВизуализация турбулентных вихрейв одиночной лунке.

Данный вид экспериментальных исследований произведен на дозвуковой аэродинамической установке (рис. 1). Основная цельэксперимента - выявление визуальнойкартины течения потока внутри ОЛ иопределение времени полного обновления её объема. Визуализация производилась с помощью дыма, пускаемого в начало канала таким образом,чтобы как можно меньше влиять наосновной поток. Процесс фиксировался с помощью цифровой видеокамеры.7На основании этих данных стало возможно: проведение анализа распределения скоростей внутри лунки для последующих расчетов количества передаваемой теплоты; выявление так называемой вихревой составляющей теплового потока отповерхности, профилированной овальными лунками; описание теплообмена на олуненной поверхности путем внесения вихревой составляющей в модель и её реализации в программе PHOENICS.Рабочим участком установки является узкий канал высотой 20 мм, шириной60 мм и длиной 480 мм.