45 УДК 536.3 О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИХРЕВОГО ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П., канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В., магистр техн. наук КАЧАР И. Л., инженеры ШКЛОВЧИК Д. И., ПРОКОПЕНКО С. И., студ. БЕГЛЯК В. В. Белорусский национальный технический университет, ОАО «Минский автомобильный завод» Анализ эксплуатационных возможностей вихревых теплогенераторов (вихревых насосов (ВН)), выполненный в работах чл.-кор. НАН Украины, докт. техн. наук, проф., зав. отделом высокотемпературной термогазодинами- ки Института технической теплофизики НАН Украины А. А. Халатова, поз- воляет сделать выводы [1]: • основными преимуществами вихревого теплогенератора являются: ком- пактность (рис. 1), исключительная простота устройства, взрыво- и пожаробезопасность, автономность работы в автоматическом режиме; • возможность работы с малыми объемами неподготовленных жидкостей (техническая вода) позволяет широко применять их при организации тепло- снабжения мобильных объектов (медицинские хирургические госпитали и др.), работающих в условиях чрезвычайных ситуаций, и при однократном ис- пользовании (после свертывания деятельности объекта их оставляют на месте прежней дислокации). Рис. 1. Общий вид вихревого теплогенератора ВТГ-2,2: 1 – электрический привод, запитанный от дизель-генератора БТР-82; 2 – вихревой насос ВТГ-2,2 т е п л о э н е р г е т и к а 46 Повышенными требованиями к таким объектам объясняется актуальность абсолютно независимого источника первичной энергии, в качестве которого может служить 100-сильный дизель-генератор БТР-82 (сегодня БТР-82 – на вооружении российской армии). Помимо отмеченных характеристик, вихревые теплогенераторы обладают достаточно высоким коэффициентом полезного преобразования электриче- ской формы движения материи в теплоту, так как, в конечном итоге, преобра- зование направлено в сторону диссипации (вначале электрической, а затем механической). Как показали выполненные авторами эксперименты, он соста- вил 50–90 %, что при отмеченных выше достоинствах можно считать вполне удовлетворительной характеристикой схемы (по данным [1], эта цифра со- ставляет 93–96 %). Что касается работ [2–7], в которых рассматривается двойное преобразо- вание «электрическая форма движения материи – механическая форма движе- ния материи – теплота» с коэффициентом преобразования η > 1, то они гре- шат точностью эксперимента либо определенным непониманием процессов преобразования и недостаточной осведомленностью в области теплообмена при существенных числах Re [8]. Так, процесс перехода ламинарного погра- ничного слоя в турбулентный на плоской поверхности происходит в результа- те самопроизвольного случайного возникновения турбулентных пятен (пятно Эммонса), размер которых увеличивается пропорционально расстоянию при их движении вниз по потоку со ско- ростью, составляющей долю скоро- сти свободного потока. При этом пятно имеет характерную стрело- видную форму (рис. 2) [8]. На сним- ке видна распространяющаяся в поперечном направлении от по- верх- ности область загрязнения. В цен- тре пятна число Рейнольдса, рас- считанное по расстоянию от перед- ней кромки, равно 200000 (Cantwell, Coles, Dimotakis, 1978). Турбулентное пятно на ранней стадии своего развития показано в поперечном сечении, нормальном к потоку. При визуализации дым в аэродинамической трубе освещался лазерным световым ножом (рис. 3) (Perry, Lim, The, 1981) [8]. На рисунке видно, что с увеличением числа Рейнольдса контур пятна более четкий, а угол его фронтальной кромки уменьшается. Что касается расчетов, связанных с оценкой параметров температурного поля в зазоре плоскопараллельного канала (рис. 4), а также теплообмена с учетом теплоты трения (течение Куэтта), то они выполнены проф. В. А. Ку- диновым и асп. И. В. Кудиновым [9–11]. В [9] для решения указанной задачи применен ортогональный метод Л. В. Канторовича, с помощью которого получено решение в пятом прибли- жении. При этом каких-либо принципиальных трудностей, связанных с дальнейшим увеличением числа приближений, не возникает. В то же время уже в пятом приближении найдено решение для значений безразмерной про- Рис. 2. Турбулентное пятно Эммонса (получено с использованием суспензии алюминиевых хлопьев в воде) 47 дольной координаты η = 1 ⋅ 10–4, что позволило получить результаты, отсут- ствующие в известной литературе. Re = 100000 Re = 200000 Re = 400000 Рис. 3. Турбулентное пятно при различных чис- лах Рейнольдса (R. E. Falco, визуализация осу- ществлялась при помощи дыма в воздухе, освещаемом вспышкой) [8] Математическая постановка задачи в данном случае имеет вид [9]: ( ) ( ) ( ) 22 2 , , , μ ρ T x y T x y dww y ax c dyy        ∂ ∂ = + ∂ ∂ (1) 0 ; 0 ;y h x≤ ≤ ≤ <∞ ( ) ( ) ( )0 1 2,0, ; ,0 ; ,T y T T x T T x h T= = = (2) где ( ) 0w y w y h= – профиль скорости плоскопарал- лельного течения (течение Куэтта); h – ширина канала; y, x – поперечная и продольная координаты; μ – дина- мическая вязкость; c – удельная теплоемкость; ρ – плотность; a – коэффициент температуропроводности; T – температура; T0 – то же жидкости на входе в канал (х = 0); T1, T2 – температуры стенок. Введем следующие безразмерные переменные и параметры: ( ) 0 ,ξ ; η Pe ; Pey h x h w h a= = = (3) где Pe – число Пекле. С учетом принятых обозначений задачи (1), (2) приведем к виду: ( ) ( )2 12 ; η,ξ η,ξ ξ η ξ T T R ∂ ∂ = + ∂ ∂ (4) 0 η ; 0 ξ 1;≤ <∞ ≤ ≤ Рис. 4. Схема течения жидкости в плоскопа- раллельном канале w(y) = w0y/h w0 h x 0 y 48 ( ) 0;0, ξT T= (5) ( ) 1;η, 0T T= (6) ( ) 2 ,η, 1T T= (7) где 21 0μ λ; λ ρR w ac= = – коэффициент теплопроводности. Приближенное решение задачи в соот- ветствии с ортогональным методом Л. В. Кан- торовича рассчитывается следующим об- разом [10, 11]: 1 2 1 1 ( , ) ( ) ( ) ( ), n k k k T T T T f = η ξ = − ξ + + η ϕ ξ∑ (8) где fk(η) – неизвестные функции; ϕk(ξ) = = (1 – ξ)ξk – то же координатные. Благодаря принятой системе координатных функций соотношение (8) точно удовлетворяет граничным условиям (6), (7). Неизвестные функции fk(η) ( )1,k n= находим из решения дифференциального уравне- ния (4) при граничном условии (5) (рис. 5). В случае n приближений необходимо соста- вить невязку уравнения (4) и потребовать орто- гональности невязки к n координатным функ- циям [9] ( ) ( ) 1 1 10 .ξ ξ ξ 0, 1, n k k k k j k f f R d k j n =        ϕ − ϕ − ϕ = = =′ ′′ ′′∑∫ Для изучения теплоотдачи от отопительных приборов в условиях свободной конвекции и конвекции в вертикальной и горизонтальной щелях была изготовлена экспериментальная установка (рис. 6), схема кото- рой иллюстрируется рис. 7. Рис. 6. Общий вид эксперименталь- ной установки Рис. 5. Изменение температуры жидкости в плоском канале вслед- ствие диссипации энергии: 1 – по (8) при n = 5; 2 – по [12] (третье приближение) 1 2 49 Рис. 7. Схема экспериментальной установки: 1 – вихревой теплогенератор ВТГ-2,2; 2 – расходомеры; 3 – расширительный бак; 4 – бак-накопитель; 5 – насос; 6 – фильтр; 7 – отопительные приборы Эксперимент (трехфакторный анализ) выполнялся в соответствии со спе- циально разработанным планом эксперимента, базирующимся на полиноме второго порядка [13]: 2 0 1 1 2 2 3 3 12 1 2 13 1 3 1 1 23 2 3 2 2 3 3 2 2 3 3 1, 1 11 1 22 2 2 2 2 33 3 ;i k k k k k i i k k ij i j k k k k ii kk k k y A A x A x A x A x A x x A x x A x x A x x A x x A x x A x x A x x A x x A x A x A x A x A x − − = + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +         (9) 2 0 1 1 1 1 1 1 . k k k i i i j ii ij i i i j j j i j i j i j iy A A x A x x A x = = = = = = ≠ ≠ ≠ = + + +∑ ∑ ∑ (10) Иными словами, выходная величина y имеет свободный член, соответ- ствующий нулевому значению всех факторов, сумму линейных зависимостей 1 k i i i A x = ∑ , где i – номер фактора; k – их общее количество, сумму линейных взаимодействий 1 1 k ij i j i j i j A x x = = ≠ ∑ и сумму квадратичных членов 2 1 . k ii i i A x = ∑ В конкретном случае для плана эксперимента первого порядка (10) можно переписать (трехфакторный анализ) как 2k, где k – число факторов. Такой план позволяет получить линейную модель [14] 0 1 , k i i i y A A x = = +∑ (11) где k – число факторов. Общее число экспериментов N составит N = 23 = 8. Модель с взаимодействиями факторов несколько усложнится 50 0 1 1 , k i i ij i j i j i j y A A x A x x = = ≠ = + +∑ ∑ (12) где 10 ; N n n y A N == ∑ n – номер опыта; N – общее количество опытов; yn – значение y в n-м опыте; 1 / ; N i n in n A y x N = =∑ / ;ij n in jnA y x x N=∑ i, j – номера факторов. Для трехфакторного эксперимента имеем план (табл. 1). Таблица 1 План трехфакторного эксперимента типа 23 № опыта Фактор Выходная величина x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 y 1 + + + + + + y1 2 – + + – – + y2 3 – – + + – – y3 4 + – + – + – y4 5 + + – + – – y5 6 – + – – + – y6 7 – – – + + + y7 8 + – – – – + y8 Минимальное число повторностей эксперимента в каждой точке принима- ем равным 3 [13]. Для исключения систематических неучтенных ошибок опы- ты рандомизировались [14]. Для этого очередность их проведения устанавли- вали при помощи таблиц случайных чисел [12]: 7 (1), 8 (1), 6 (1), 5 (1), 2 (1), 2 (2), 1 (1), 3 (1), 7 (2), 6 (2), 1 (2), 6 (3), 8 (2), 7 (3), 8 (3), 4 (1), 5 (2), 4 (2), 3 (2), 5 (3), 3 (3), 4 (3), 1 (3), 2 (3). В скобках указана повторя- емость опыта. Эксперимент выполняется только при установившемся тепловом режиме. Опыты проводили в десяти точках и были связаны с измерением температур теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностей, а также температуры в щели. Результаты обработки эксперимента представлены на рис. 8. 6 7 8 9 10 lgRa 12 Рис. 8. Сравнение результатов эксперимента с уже имеющимися данными (точ- ками) различных авторов для локальных чисел Нуссельта в переходном режиме свободной конвекции вдоль изотермических вертикальных пластин [15, 16]: • – результаты обработки эксперимента Воздух Pr = 0,7 2,0 lgNu 1,0 0,5 51 В Ы В О Д Ы 1. Обосновывается возможность использования теплогенератора типа ВН в системах теплоснабжения передвижных медицинских учреждений. 2. Отмечена достаточная экономическая эффективность работы. Авторы считают, что вопрос, связанный с эффективностью диссипативного перехода первичной формы движения материи в теплоту, может быть полностью за- крыт. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Х а л а т о в, А. А. Результаты испытаний вихревого теплогенератора ТПМ 5.5-1 / А. А. Халатов, А. С. Коваленко, С. В. Шевцов // Промышленная теплотехника. – 2002. – Т. 24, № 6. – С.40–46. 2. П о т а п о в, Ю. С. Энергия вращения / Ю. С. Потапов, Л. П. Фоминский, С. Ю. Пота- пов. – Кишинев, 2001. – 382 с. 3. С а м о е дешевое отопление – с вихревым теплогенератором ТС1 // Системы теплообес- печения [Электронный ресурс]. – Одинцово-5, 2008. – Режим доступа: http://www.teplo- mos.ru – Дата доступа: 18.12.2010. 4. И н ф о р м а ц и о н н ы й ресурс о типах отопительных приборов [Электронный ресурс] / Автономные системы отопления. – М., 2011. – Режим доступа: http:// www.euro- aliance.ru – Дата доступа: 20.09.2011. 5. В и х р е в ы е теплогенераторы // Отопительные системы нового поколения [Электрон- ный ресурс]. – М., 2009. – Режим доступа: http:// www.otopiteli.nm.ru – Дата досту- па: 10.10.2011. 6. Ш в а б, В. А. Вихревой теплогенератор для систем теплоснабжения / В. В. Шваб // Но- вости теплоснабжения. – 2007. – № 8. – С. 12–13. 7. К о з л о в, С. В. Опыт внедрения автономных энергосберегающих систем отопле- ния / С. В. Козлов // Новости теплоснабжения. – 2007. – № 8. – С. 14–16. 8. В а н-Д а й к, М. Альбом течений жидкости и газа: А 56 / М. Ван-Дайк. – М.: Мир, 1986. – 184 с. 9. К у д и н о в, В. А. Теплообмен при течении Куэтта с учетом теплоты трения / В. А. Кудинов, И. В. Кудинов // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объедине- ний СНГ). – 2011. – № 2. – С. 43–51. 10. К у д и н о в, В. А. Аналитические решения задач тепломассопереноса и термоупруго- сти для многослойных конструкций / В. А. Кудинов, Э. М. Карташов, В. В. Калашников. – М.: Высш. шк., 2005. – 430 с. 11. К у д и н о в, В. А. Теплопроводность и термоупругость в многослойных конструкциях / В. А. Кудинов, Б. В. Аверин, Е. В. Стефанюк. – М.: Высш. шк., 2005. – 305 с. 12. Ц о й, П. В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса / П. В. Цой. – М.: Энергия, 1971. – 383 с. 13. И з а к о в, Ф. Я. Планирование эксперимента и обработка опытных данных / Ф. Я. Изаков. – Челябинск, 1997. – 128 с. 14. З е д г и н и д з е, И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпо- нентных систем / И. Г. Зедгинидзе. – М.: Наука, 1976. – 390 с. 15. К а ч а р, И. Л. Исследование теплоотдачи отопительного прибора системы теплоснаб- жения полевого госпиталя, функционирующего в условиях чрезвычайных ситуаций / И. Л. Качар // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2011. – № 4. – С. 60–63. 16. Т е п л о с н а б ж е н и е полевого госпиталя, функционирующего в условиях чрезвы- чайных ситуаций / А. П. Несенчук // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объ- единений СНГ). – 2011. – № 3. – С. 91–93. Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 01.11.2011