Создание научных и технологических основ для разработки перспективных высокоэффективных оребренных поверхностей теплообмена

Исследованы конструкции стальных труб плоско-овального профиля с неполным оребрением для использования в качестве теплообменных поверхностей. Такие поверхности имеют несколько существенных преимуществ: материал – углеродистая сталь; изготовление по дешевой технологии – контактное приваривание ребра к трубе; улучшенная тепловая эффективность по сравнению со стальными трубами круглого профиля; аэродинамическое сопротивление плоско-овальных труб с неполным оребрением на 40...50 % ниже труб круглого профиля. Методами экспериментального и численного моделирования выполнены исследования локальных и среднеповерхностных характеристик конвективного теплообмена, аэродинамического сопротивления и структуры течения в поверхностях нагрева из плоско-овальных труб с неполным поперечным оребрением в интервалах изменения коэффициентов оребрения y = 7...15 и чисел Рейнольдса . Впервые выполнено исследование структуры течения методами визуализации, пневмометрическими и термоанемометрии на поверхности и в межреберных каналах плоско-овальных труб. Получены усовершенствованные обобщающие расчетные зависимости для определения интенсивности теплообмена и аэродинамического сопротивления плоско-овальных труб с неполным оребрением, учитывающие влияние геометрических параметров оребренных труб и пакета в целом. Проведенные экспериментальные и численные исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления позволили улучшить на (2-3) % расчетные соотношения для определения конвективных коэффициентов теплоотдачи и потерь давления шахматных пакетов плоско-овальных труб с неполным оребрением.

В работе выявлено, что профиль плоско-овальной трубы с d₂/d₁ = 2.8 по своим свойствам, с точки зрения теплоотвода с одного погонного метра оребренных труб, может на 25 % больше отдать или принять теплоты при одинаковых коэффициентах оребрения, чем плоско-овальная труба с d₂/d₁ = 2.0 при незначительном росте аэродинамического сопротивления.

На базе новых соотношений для расчетов коэффициентов теплоотдачи и потерь давления проведено совершенствование методик теплоаэродинамических расчетов. Усовершенствованная методика инженерных расчетов позволяет более точно рассчитывать упомянутые коэффициенты и закладывать меньше коэффициент запаса на площадь поверхности теплообменного аппарата в целом.

Исследование теплообмена и гидродинамики потока в поверхностях нагрева из плоско-овальных труб с неполным оребрением, дали возможность провести оптимизацию геометрических характеристик оребрения. Проведение таких исследований позволили выявить, что оптимальными геометрическими параметрами оребрения плоско-овальных натурных труб являются такие значения: шаг ребер t = 3.6...3.8 мм; высота ребра h = 20...21 мм; толщина ребра d = 0.8...0.9 мм.

На примере конкретного теплообменного оборудования проведены вариантные теплоаэродинамические расчеты экономайзера-утилизатора, изготовленного из плоско-овальных труб и установленного между дымососом котла и дымовой трубой на одной из котельных г. Запорожье. Масса трубной части уменьшилась более чем на 0.5 тонны (на 25 %), что в конечном варианте привело к уменьшению стоимости теплоутилизатора. Кроме того, производственные испытания показали, что при низком сопротивлении теплообменной поверхности не требуется дополнительного регулирования дымососа.