Створення наукових і технологічних основ для розробки перспективних високоефективних оребрених поверхонь теплообміну

Досліджені конструкції сталевих труб плоско-овального профілю з неповним оребренням для використання в якості теплообмінних поверхнях. Такі поверхні мають декілька суттєвих переваг: матеріал – вуглецева сталь; виготовлення за дешевою технологією – контактне приварювання ребра до труби; покращена теплова ефективність в порівнянні зі сталевими трубами круглого профілю; аеродинамічний опір плоско-овальних труб з неповним оребренням на 40...50 % нижче ніж труб круглого профілю. Методами експериментального та числового моделювання виконані дослідження локальних та середньоповерхневих характеристик конвективного теплообміну, аеродинамічного опору та структури течії в поверхнях нагрівання з плоско-овальних труб з неповним поперечним оребренням в інтервалах зміни коефіцієнтів оребрення y = 7...15 та чисел Рейнольдса . Вперше виконано дослідження структури течії методами візуалізації, пневмометричними та термоанемометрії на поверхні та в міжреберних каналах плоско-овальних труб. Отримано вдосконалені узагальнюючі розрахункові залежності для визначення інтенсивності теплообміну та аеродинамічного опору плоско-овальних труб з неповним оребренням, які враховують вплив геометричних параметрів оребреної труби та пакету в цілому. Проведені експериментальні і числові дослідження теплообміну і аеродинамічного опору дозволили покращити на (2-3) % розрахункові співвідношення для визначення конвективних коефіцієнтів тепловіддачі і втрат тиску шахових пакетів плоско-овальних труб з неповним оребренням.

В роботі виявлено, що профіль плоско-овальної труби з d₂/d₁ = 2.8 за своїми властивостями, з точки зору тепловідведення з одного погонного метру оребреної труби, може на 25 % більше віддати чи прийняти теплоти при однакових коефіцієнтах оребрення, ніж плоско-овальна труба з d₂/d₁ = 2.0 при незначному зростанні аеродинамічного опору.

На базі нових співвідношень для розрахунків коефіцієнтів тепловіддачі і втрат тиску проведено вдосконалення методик теплоаеродинамічних розрахунків. Вдосконалена методика інженерних розрахунків дозволяє більш точно розраховувати вище згадані коефіцієнти та закладати менший коефіцієнт запасу на площу поверхні теплообмінного апарату в цілому.

Дослідження теплообміну і гідродинаміки потоку в поверхнях нагріву з плоско-овальних труб з неповним оребренням, дали можливість провести оптимізацію геометричних характеристик оребрення. Проведення таких досліджень дозволили виявити, що оптимальними геометричними параметрами оребрення плоско-овальних натурних труб являються такі значення: крок ребер t = 3.6...3.8 мм; висота ребра h = 20...21 мм; товщина ребра d = 0.8...0.9 мм.

На прикладі конкретного теплообмінного обладнання проведені варіантні теплоаеродинамічні розрахунки економайзера-утилізатора, виготовленого з плоско-овальних труб та встановленого між димососом котла і димовою трубою на одній з котелень м. Запоріжжя. Маса трубної частини зменшилась більш ніж на 0.5 тонни (на 25%), що в кінцевому варіанті призвело до зменшення вартості теплоутилізатора. Крім того, виробничі випробування показали, що при низькому опорі теплообмінної поверхні не потрібно додаткового регулювання димососу.