46 УДК 536.24 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА МЯГКОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА МОБИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ С ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОМ ВН Докт. техн. наук, проф. НЕСЕНЧУК А. П.1), магистр техн. наук ИОКОВА И. Л.1), канд. техн. наук РЫЖОВА Т. В.2), инженеры ШКЛОВЧИК Д. И.1), ЯРМОЛЬЧИК М. А.1), АЙДАРОВА З. Б.1) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)ОАО «Минский автомобильный завод» – управляющая компания холдинга «БелавтоМАЗ» Создание искусственной шероховатости на поверхности теплообмена – один из наиболее эффективных и простых методов интенсификации кон- вективного теплообмена [1]. Применение шероховатой поверхности спо- собствует изменению характера течения жидкости (капельная, либо газо- образная). При прочих равных условиях (рис. 1) переход из ламинарного течения в турбулентное на шероховатой поверхности наступает при мень- ших числах Re, нежели на гладкой. Шероховатость на теплоотдающей теп- лообменной поверхности вызывает локальные завихрения (рис. 1б) и уси- ливает перенос теплоты вблизи стенки. Измерения со стороны поверхности образцов № 1 и 2 выполняли в за- фиксированном сечении теплообменника в течение 10 мин. Точки со сто- роны поверхности образца № 2 указывают на существенный разброс тем- ператур у этой поверхности, что свидетельствует о нарастании турбулиза- ции потока жидкости и разрушении ламинарного слоя. В конечном итоге наличие шероховатости приводит к устойчивому турбулентному течению и росту теплоотдачи (рис. 1б) на стороне стенка–воздух, что существенно интенсифицирует теплопередачу предложенного авторами отопительного прибора системы теплоснабжения мобильного объекта (типа полевого гос- питаля) [2]. Рассматриваемый отопительный прибор изготовлен из мягкого поли- мерного материала (поливинилхлорида), покрытого мягкой полимерной пленкой с ворсистой поверхностью (рис. 2), интенсифицирующей внешний теплообмен. Наряду с реальным интенсифицирующим теплообмен эффек- том теплообменник остается не тяжелым и малозатратным в денежном вы- ражении. т е п л о э н е р г е т и к а 47 а б Рис. 1. Экспериментальные данные авторов по измерению температуры воздуха со стороны шероховатой 2 и гладкой 1 поверхностей отопительного элемента [2]: a – эксперимент (измерено точечным прибором «Сосна-002»); б – гидродинамическая картина разрушения ламинарного слоя а б Рис. 2. Общий вид поверхности отопительного прибора: a – гладкая поверхность теплообмена из мягкого поливинилхлорида (образец № 1); б – то же, но поверхность с мягкой шероховатой поливинилхлоридной пленкой (образец № 2, увеличение 1:10); δ – величина пограничного слоя ( ~ 4,96 w l , где l – характерный размер в направлении турбулентного потока (l ~ 0,6 м)); w – средняя скорость в турбулентном потоке, w ~ 0,1–1,0 м/с; K – шероховатость, K ~ 0,4–2,0 мм Анализ результатов эксперимента (рис. 1a) указывает на явную интен- сификацию теплообмена на стороне с искусственной шероховатостью (об- разец № 2, рис. 2б) в результате разрушения ламинарного слоя. В конечном итоге с небольшой погрешностью можно записать Образец № 1 Образец № 2 образец № 1 образец № 2 Образец № 1 Образец № 2 abb > ab b Образец № 1 Образец № 2 K (0,4–2,0) мм , мин 2–3 С 48 1 к 2 Nu ~ , Nu (1) где Nuк – число Нуссельта, характеризующее теплообмен на шероховатой (вертикальная ориентация) поверхности отопительного прибора системы теплоснабжения. Эксперимент выполняли в лабораториях кафедры ПТЭ и Т Белорусско- го национального технического университета (г. Минск) на установке, показанной на рис. 3. Измерения проводили самопишущим прибором КСП-4M (рис. 4) и точечным измерителем «Сосна-002» (рис. 1а). а б Рис. 3. Экспериментальная установка: a – внешний вид; б – схема: 1 – гладкая поверхность теплоотдающей стенки (образец № 1); 2 – поток капельной жидкости (физраствор, NaCl ~ 4–5 %), w ~ 0,1–0,5 м/с; 3 – шероховатая теплоотдающая поверхность (мягкий поливинилхлорид), K ~ 0,2–2,0 мм; 4 – термопара ХК (пишущий прибор – КСП-4М); 5 – чашечный микроманометр; 6 – отверстие для связи с атмосферой; 7– медицинский шприц для введения красящей жидкости Используя результаты натурного эксперимента и материалы А. А. Жу- каускаса [3] для условий wf ~ 0,1–1,0 м/с; tf ~ 30–70 °С и Ref = 3000–37000, авторами построена графическая зависимость Cк = f(Re) (рис. 5). p = B = const t1 100 C t2 100 C 49 Рис. 4. Измерение температуры на поверхности теплообменника пишущим прибором КСП-4М: 1 и 2 – соответственно для шероховатой и гладкой поверхностей Рис. 5. График оценки интенсификации теплообмена со стороны образца № 2 (рис. 2а): Cк – доля роста теплоотдачи Ранее в [2] авторами было получено уравнение для гладкой мягкой по- верхности из поливинилхлорида 0,25Ф1 Nu 0,5 Gr Pr , 2 f р (2) где Фр – плотность распределения вероятностей. С учетом коэффициента Cк (2) перепишется 0,25Ф к к 1 Nu 0,5 Gr Pr . 2 fC р C (3) Анализ процесса разрушения ламинарного слоя представлен рис. 6. (образец № 2) (образец № 1) Ск 1,28 Ск 1,17 Ск = f(Reраб) Ск 50 Образец № 1 Образец № 2 Рис. 6. Исследование теплоотдачи отопительного прибора (от поверхности образцов № 1 и 2 к обогреваемому окружающему воздуху) с использованием тепловизора ThermoTrancer TH7700 (тарировка цветовой картины выполнена по показанию термопары ТХК) В Ы В О Д Ы Авторами предложена мягкая пленка в качестве покрытия гладкой по- ливинилхлоридной поверхности отопительного прибора, имитирующая искусственную шероховатость теплоотдающей поверхности. Изучена внешняя теплоотдача отопительного прибора с турбулизиру- ющей поток воздуха пленкой, интенсифицирующей теплоотдачу к окру- жающему воздуху отапливаемого объекта. Записано критериальное уравнение для расчета внешней теплоотдачи. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Т е п л о- и массообмен: учеб. пособие: в 2 ч. / Б. М. Хрусталев [и др.]. – Минск: БНТУ, 2007. – Ч. 1. – 606 с. 2. О ц е н к а теплоотдачи отопительного прибора системы теплоснабжения с вихревым теплогенератором / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2012. – № 6. – С. 46–52. 3. Ж у к а у с к а с, А. А. Конвективный перенос в теплообменниках / А. А. Жукаускас. – М.: Наука, 1982. – 472 с. Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 01.04.2013