Розробка енергетичних і промислових систем охолодження з природною тягою на новій елементній основі

Безперервне зростання дефіциту охолоджуючої води і посилення екологічних вимог через теплове забруднення довкілля тісно пов'язано з вирішенням проблеми раціонального використання водних ресурсів та скорочення водоємних технологій. Це обумовлює необхідність використання сучасних енерготехнологій та модернізації за їх допомогою існуючих систем охолодження у різноманітних виробництвах.
Потреби ринку України в нових ресурсозберігаючих системах повітряного охолодження можна ефективно вирішити шляхом застосування теплообмінних поверхонь з новою елементною базою у вигляді оребрених труб зручнообтічної форми. Таким вимогам відповідають запропоновані нові поверхні з пакетів плоскоовальних труб з неповним поперечним оребренням, що не мають вад, які притаманні відомим типам теплообмінних поверхонь з круглих сталевих та біметалічних оребрених труб, або сталевих овальних труб з насадженим чи механічно навитим оребренням. Нові труби поєднують в собі високий ступінь розвинення поверхні, ідеальний термічний контакт між ребрами і несною трубою, низький аеродинамічний опір та високу технологічність.

В рамках прикладної науково-дослідної роботи розроблені та виготовлені лабораторні макети-зразки плоскоовальних труб з неповним поперечним оребренням за допомогою відносно дешевої технології автоматизованого контактного приварювання прямокутних ребер до плоскоовальної труби.

Уперше досліджений теплообмін поверхні з труб зручнообтічної форми в умовах вимушеної, вільної конвекції та природної тяги в широкому діапазоні швидкостей омивання (0 – 20) м/с.

За результатами експериментальних та числових досліджень побудовані моделі обтікання оребреної поверхні в умовах вільної конвекції та природної тяги при малих швидкостях потоку. Визначена структура течії у ближньому сліді за оребреною трубою та на поверхнях плоскоовальної труби і ребрах у межах пограничних шарів, виявлені на робочих поверхнях області відриву потоку.

Отримані нові системи узагальнюючих співвідношень для розрахунку тепловіддачі та опору в умовах малих швидкостей обтікання труб, які враховують геометричні характеристики труб та крокові характеристик пакетів, вільної конвекції та природної тяги. Для області змінення параметра ребра від 0,2 до 0,65 запропонована нова, більш вдосконалена і точніша формула для розрахунку коефіцієнта ефективності прямокутного ребра плоскоовальної труби.

Для підтвердження ідей, закладених в конструкцію плоскоовальної труби з неповним поперечним оребренням, на підставі експериментальних даних з теплообміну пакетів з таких труб, для перевірки правильності підходу до узагальнення отриманих результатів і достовірності узагальнених емпіричних залежностей для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі та коефіцієнта ефективності ребра спроектований та виготовлений макет модуля „сухого” повітряного охолоджувача. На виготовленому модулі проведені лабораторні теплотехнічні випробування. Випробування охолоджувача та результати експериментального дослідження теплоаеродинамічних характеристик пакетів плоскоовальних оребрених труб показали конкурентоспроможність таких труб при використанні їх в якості поверхонь теплообміну для систем „сухого” охолоджування технологічних продуктів, як в умовах вимушеної конвекції при малих швидкостях омивання повітрям, так і в умовах вільної конвекції та природної тяги.

За результатами досліджень отримані нові методи розрахунків теплообміну і аеродинамічного опору поверхонь з оребрених плоскоовальних труб, які призначені для „сухих” систем охолодження технологічних продуктів. Створені методи, які базуються на емпіричних узагальнених залежностях призначені для теплообмінних апаратів „сухих” систем охолодження (типу „газ-рідина”), що працюють при вимушеної, вільної конвекції та природної тяги.

Результати випробувань та теплоаеродинамічних розрахунків показали, що в разі використання оребрених плоскоовальних труб можна підвищити компактність, зменшити габарити і масу, порівняно з існуючими традиційними типами ребристих труб, які використовуються в системах „сухого” охолодження різних рідинних продуктів на (25-30) % за рахунок високих теплопередавальних властивостей пропонованих труб.