Теплообмін і аеродинаміка складнопрофільованих теплообмінних поверхонь

В рекуперативних трубчастих теплообмінних апаратах типу „газ-газ”, „газ-рідина” в основному використовуються поверхні нагріву з круглих труб. Однак, круглі труби, як елемент теплообмінної поверхні, з точки зору поліпшення їх теплоаеродинамічних характеристик на сьогоднішній день себе вичерпали. В даний час, технічно і економічно найбільш доступним і обґрунтованим шляхом зменшення маси та підвищення енергоефективності і ресурсозбереження теплообмінного обладнання, є застосування в теплообмінних апаратах поверхонь, які мають високу теплоаеродинамічну ефективність, невисоку вартість і простоту виготовлення. Таким вимогам відповідають складнопрофільовані труби плоскоовальної форми, які мають ряд суттєвих переваг перед трубами круглого профілю і насамперед володіють у 2-3 рази меншим аеродинамічним опором при практично однаковій інтенсивності теплообміну. Слід також відмітити, що дослідження впливу на теплоаеродинамічні характеристики геометричних параметрів масивів труб плоскоовальної форми в широкому діапазоні їх змін при поперечному обтіканні потоком в Україні і світі зовсім не проводились.
В межах виконаної науково-дослідної роботи виготовлені експериментальні макети плоскоовальних труб в діапазоні відносного подовження профілю d2/d1=2-5.
Дослідження конвективного теплообміну та аеродинамічного опору в поодиноких складнопрофільованих трубах та їх масивах проведені при широкому варіюванні їх геометричних характеристик та швидкостей потоку. Визначено вплив на теплообмін та опір геометричних характеристик поверхонь та режимних факторів. На базі проведених досліджень запропоновані нові узагальнюючі залежності для розрахунку конвективного теплообміну та аеродинамічного опору поверхонь зі складнопрофільованих плоскоовальних труб, які враховують вплив на інтенсивність теплообміну і опір геометричних характеристик труб, кроків між ними та режимних факторів в широкому діапазоні їх змін.

Досліджена структура течії у вигляді ліній току на поверхні плоскоовальної труби. Результати з візуалізації течії показали, що в області сполучення півкола та прямих ділянок плоскоовальної труби простежуються дві області відриву потоку з утворенням на її поверхні замкнених вихрів, а на поверхні труби круглої форми зафіксовано лише одна відривна область, яка в подальшому поступово трансформується у вихровий кормовий слід.

За результатами експериментальних досліджень вперше отримані інженерні методики теплового та аеродинамічного розрахунків поверхонь зі складнопрофільованих плоскоовальних труб, які дозволяють розробляти нові типи рекуперативних трубчастих теплообмінників на новій елементній базі у широких межах геометричних параметрів труб та їх масивів з відносним подовженням профілю труби від 2 до 5, відносним поперечним та поздовжним кроками між трубами, відповідно від 2 до 3,5 та від 2 до 5,5 в діапазоні змін швидкості потоку від 2 м/с до 30 м/с.

Результати теплоаеродинамічних розрахунків показали, що у повітронагрівача, виконаного з плоскоовальних труб, масогабаритні характеристики на (20-30%) менші ніж у повітронагрівача, виконаного з труб традиційної круглої форми при однаковій тепловій потужності апаратів.