Теплообмен и аэродинамика сложнопрофилированых теплообменных поверхностей

В рекуперативных трубчатых теплообменных аппаратах типа "газ-газ", "газ-жидкость" в основном используются поверхности нагрева из круглых труб. Однако, круглые трубы, как элемент теплообменной поверхности, с точки зрения улучшения их теплоаэродинамических характеристик на сегодняшний день себя исчерпали. В настоящее время, технически и экономически наиболее доступным и обоснованным путем уменьшения массы и повышения энергоэффективности и ресурсосбережения теплообменного оборудования, является применение в теплообменных аппаратах поверхностей, которые имеют высокую теплоаэродинамическую эффективность, невысокую стоимость и простоту изготовления. Таким требованиям отвечают сложнопрофилированные трубы плоскоовальной формы, имеющие ряд существенных преимуществ перед трубами круглого профиля и прежде всего меньшим в 2-3 раза аэродинамическим сопротивлением при практически одинаковой интенсивности теплообмена. Следует также отметить, что исследования влияния на теплоаэродинамические характеристики геометрических параметров массивов труб плоскоовальной формы в широком диапазоне их изменения при поперечном обтекании потоком в Украине и мире вовсе не проводились.
В рамках выполненной научно-исследовательской работы изготовлены экспериментальные макеты плоскоовальных труб в диапазоне относительного удлинения профиля d2/d1 = 2-5.
Исследования конвективного теплообмена и аэродинамического сопротивления одиночных сложнопрофилированных труб и их массивов проведены при широком варьировании их геометрических характеристик и скоростей потока. Установлено влияние на теплообмен и сопротивление геометрических характеристик поверхностей и режимных факторов. На базе проведенных исследований предложены новые обобщающие зависимости для расчета конвективного теплообмена и аэродинамического сопротивления поверхностей из сложнопрофилированных плоскоовальных труб, учитывающих влияние на интенсивность теплообмена и сопротивление геометрических характеристик труб, шагов между ними и режимных факторов в широком диапазоне их изменения.

Исследована структура течения в виде линий тока на поверхности плоскоовальной трубы. Результаты по визуализации течения показали, что в области сопряжения полукруга и прямых участков плоскоовальной трубы прослеживаются две области отрыва потока с образованием на поверхности замкнутых вихрей, а на поверхности трубы круглой формы зафиксировано лишь одна отрывная область, которая в дальнейшем постепенно трансформируется в вихревой кормовой след.

По результатам экспериментальных исследований впервые получены инженерные методики теплового и аэродинамического расчетов поверхностей из сложнопрофилированных плоскоовальных труб, которые позволяют разрабатывать новые типы рекуперативных трубчатых теплообменников на новой элементной базе в широком диапазоне варьирования геометрических параметров труб и их массивов с относительным удлинением профиля трубы от 2 до 5, относительным поперечным и продольным шагами между трубами, соответственно от 2 до 3,5 и от 2 до 5,5 в диапазоне изменение скорости потока от 2 м/с до 30 м/с.

Результаты теплоаэродинамических расчетов показали, что у воздухоподогревателя, выполненного из плоскоовальных труб, массогабаритные характеристики на (20-30%) меньше чем у воздухоподогревателя, выполненного из труб традиционной круглой формы при одинаковой тепловой мощности аппаратов.