| Popis: |
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. In tubular recuperative heat exchangers such as "gas-gas", "gas-liquid" are mainly used heat transfer of circular tubes. However, circular tubes, as part of the heat transfer surface, in terms of improving their heat and aerodynamic performances to date have exhausted themselves. Now, technically and economically the most accessible and reasonable by reducing weight and improving energy efficiency and resource saving heat exchange equipment is application in heat exchangers surfaces that have high heat and aerodynamic efficiency, low cost and ease of production. Such requirements are met complicated profiled tubes of flat-oval form that have some significant advantages over tubes of circular profile and above all have a 2-3 times lower aerodynamic drag at practically the same intensity of heat transfer. It should also be noted that the study of the effect on the heat and aerodynamic properties of geometric parameters arrays tubes of flat-oval form in a wide range of change in the cross-flow in Ukraine and in the world does not hold. Within the performed research work was produced the experimental models of flat-oval tubes ranging relative elongation profile d2/d1=2-5. The study of convective heat transfer and aerodynamic drag in single complicated profiled tubes and their arrays carried out in wide variation of their geometrical characteristics and of the flow velocities. The influence on the heat transfer and drag surface geometrical characteristics and operational factors was determined. On the basis of the research proposed new generalized dependencies for calculation convective heat transfer and aerodynamic drag surfaces with complicated profiled flat-oval tubes that take into account the impact on the intensity of heat transfer and drag the geometrical characteristics of tubes, steps between them and operational factors in a wide range of its change. The structure of the flow in the form of flow lines on the surface of flat-oval tube was investigated. The results of flow visualization showed that in combination of semicircle and straight sections of flat-oval tube reveal two field flow separation to form on the surface of the closed vortex and the surface of the tube round shape observed only one region tear, which later gradually transformed into a vortex feeding should. According to experimental results obtained for the first time the engineering methods of thermal and aerodynamic calculations surfaces with complicated profiled flat-oval tubes that allow you to develop new types of tubular recuperative heat exchangers on new hardware components in a wide range of geometrical parameters of tubes and their ranges of elongation profile tube 2 to 5, the relative transverse and longitudinal steps of tubes, respectively, from 2 to 3.5 and 2 to 5.5 in the range of changing flow velocity from 2 m/s to 30 m/s. The results of heat and aerodynamic calculations showed that the air heaters, made of flat-oval tubes dimensions and weight specifications for (20-30%) lower than the air heater, made of tubes traditional circular shape with the same thermal power units. 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. |
