Разработка энергетических и промышленных систем охлаждения с естественной тягой на новой элементной основе

Непрерывный рост дефицита охлаждающей воды и усиление экологических требований из за теплового загрязнения окружающей среды тесно связано с решением проблемы рационального использования водных ресурсов и сокращения водоемких технологий. Это обусловливает необходимость использования современной энерготехнологии и модернизации с их помощью существующих систем охлаждения в различных производствах.
Потребности рынка Украины в новых ресурсосберегающих системах воздушного охлаждения можно эффективно решить путем применения теплообменных поверхностей с новой элементной базой в виде оребрених труб удобообтекаемой формы. Таким требованиям отвечают поверхности из плоскоовальних труб с неполным поперечным оребрением, которые не имеют недостатков, присущих известным типам теплообменных поверхностей из круглых стальных и биметаллических оребрених труб, или стальных овальных труб, с насаженным или механически навитым оребрением. Такие трубы совмещают в себе высокую степень развития поверхности, идеальный термический контакт между ребрами и трубой, низкое аэродинамическое сопротивление и высокую технологичность.

В рамках прикладной научно-исследовательской работы разработаны и изготовлены лабораторные макеты-образцы плоскоовальних труб с неполным поперечным оребрением с помощью относительно дешевой технологии автоматизированной контактной сварки прямоугольных ребер к плоскоовальной трубе.

Впервые исследован теплообмен поверхности из труб удобообтекаемой формы в условиях вынужденной, свободной конвекции и естественной тяги в широком диапазоне скоростей омывания (0 - 20) м/с.

По результатам экспериментальных и численных исследований построены модели обтекания оребренной поверхности в условиях свободной конвекции и естественной тяги при малых скоростях омовения. Определена структура течения в ближнем следе за оребренной трубой и на поверхностях несущей трубы и ребрах в пределах пограничных слоев, обнаруженные на рабочих поверхностях области отрыва потока.
Получены новые системы обобщающих соотношений для расчета теплоотдачи и сопротивления в условиях малых скоростей обтекания труб, учитывающие геометрические характеристики труб и шаговые характеристик пакетов, свободной конвекции и естественной тяги. Для области изменения параметра ребра от 0,2 до 0,65 предложена новая, более усовершенствованная и более точная формула для расчета коэффициента эффективности прямоугольного ребра плоскоовальной трубы.
Для подтверждения идей, заложенных в конструкцию плоскоовальной трубы с неполным поперечным оребрением, на основании экспериментальных данных по теплообмену пакетов из таких труб, для проверки правильности подхода к обобщению полученных результатов и достоверности обобщенных эмпирических зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и коэффициента эффективности ребра спроектирован и изготовлен макет модуля „сухого” воздушного охладителя. На изготовленном модуле проведены лабораторные теплотехнические испытания. Испытания охладителя и результаты экспериментального исследования теплоаеродинамических характеристик пакетов плоскоовальних оребрених труб показали конкурентоспособность таких труб при использовании их в качестве поверхностей теплообмена для систем „сухого” охлаждения технологических продуктов, как в условиях вынужденной конвекции при малых скоростях омывания воздухом, так и в условиях свободной конвекции и естественной тяги.
По результатам исследований созданы новые методы расчетов теплообмена и аэродинамического сопротивления поверхностей из оребрених плоскоовальних труб, предназначенных для „сухих” систем охлаждения технологических продуктов. Созданные методы базируются на эмпирических обобщенных зависимостях и предназначены для теплообменных аппаратов „сухих” систем охлаждения (типу „газ-жидкость”), которые работают при вынужденной, свободной конвекции и естественной тяги.

Результаты испытаний и теплоаеродинамических расчетов показали, что в случае использования оребренных плоскоовальных труб можно повысить компактность, уменьшить габариты и массу по сравнению с существующими традиционными типами ребристых труб, которые используются в системах „сухого” охлаждения различных технологических продуктов на (25-30) % за счет высоких теплопередающих свойств предлагаемых труб.