Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Национальный Исследовательский Университет

«МЭИ»

кафедра ТОТ

Курсовая работа

по курсу

«Тепломассобмен в оборудовании АЭС»

Расчетная оценка оребрения плоской и цилиндрической стенки.

Студенты: Долгов Р.Н.

Мутовкин А.К.

Группа: ТФ-12-20

Преподаватель: Пронкин А.А.

Москва 2023

Содержание

Обзор литературы.................................................................................................3

Статья №1................................................................................................................3

Статья №2................................................................................................................8

Введение................................................................................................................10

Встраиваемый в пол конвектор............................................................................11

Внешний конвектор...............................................................................................14

Устройство ребер...................................................................................................16

Глава 1. Теоретические основы работы.............................................................17

1.1. Особенности свободноконвективного теплообмена в вертикальных

каналах секционного конвектора.

1.2 Перспективные методы интенсификации теплообмена при свободной

конвекции в секционных конвекторах.

Глава 2. Экспериментальная установка и оборудование.................................20

2.1 Устройство теплообменной установки.

2.2 Внешнее оборудование.

2.3 Получение и анализ данных термопар.

Глава 3. Гидравлический расчет.........................................................................23

Глава 4. Тепловой расчет.....................................................................................24

Заключение...........................................................................................................26

Тепловизионное исследование.............................................................................27

Список используемой литературы.......................................................................29

Обзор литературы.

Для подготовки, анализа и обработки опытных данных, полученных на конвекторной установке были использованы следующие статьи, размещенные в общем доступе в интернет-ресурсе [https://www.sciencedirect.com].

Статья №1.

[https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352710219327457]

Оценка поля потока над панельными радиаторами для исследования влияния различных геометрий конвекторов.

Авторы: Tamer Calisir, Hakan O. Yazar, Senol Baskaya.

Дата публикации: 05.11.2019.

Содержание статьи:

Панельные радиаторы являются широко используемыми устройствами для обогрева помещений. Из-за разницы температур между окружающим воздухом и панельными поверхностями радиатора вокруг радиатора и над ним возникают естественные конвекционные потоки. Чтобы поддерживать комфортные условия в помещении, важно понимать распределение потока нагретого воздуха над радиатором. В настоящем, исследование измерения скорости изображения частиц и численное моделирование с использованием вычислительной гидродинамики были проведены для радиаторов с различными размерами конвектора, чтобы исследовать воздушный поток над радиаторами. Поток воздуха над радиаторами напрямую влияет на качество внутренней среды; следовательно, важно понимать влияние различных размеров конвекторов на поток воздуха над радиаторами. Неравномерное распределение температуры на панелях радиатора показало различные профили скоростей вдоль радиатора, и более высокие скорости были получены вблизи входа воды. Кроме того, были получены более высокие скорости вблизи стены, на которой был установлен излучатель. Как правило, поток направляется к стене, и с увеличением высоты конвектора это отклонение потока происходит на более ранней стадии над радиатором. Исследования показали, что при изменении размеров конвектора возникают аналогичные условия потока над радиатором, следовательно, могут быть получены аналогичные комфортные условия. В то же время в производственном процессе можно будет использовать меньше материала, что является одной из целей данного исследования, что позволит нам снизить производственные затраты.

Приемлемый уровень качества внутренней среды в зданиях может быть достигнут путем поддержания необходимых значений температуры, влажности и скорости воздуха в помещении. В холодное время года используются различные типы отопительных приборов, чтобы обеспечить качество окружающей среды в помещении. В этом смысле заполненные водой панельные радиаторы, оснащенные конвекционными ребрами (конвекторами), являются одним из наиболее широко используемых устройств обогрева помещений в зданиях. Выяснилось, что здания являются крупнейшими потребителями энергии во всем мире; потребляющие примерно 45% энергии, где нагрев вносит значительный вклад в эту долю. Следовательно, существует большой спрос на системы отопления с повышенной эффективностью.

На производительность панельных радиаторов влияет несколько факторов, таких как температура циркулирующей воды на входе / выходе, положение соединения на входе / выходе, внутренняя конструкция радиатора, положение радиатора, загрязнение в радиаторе и т.д. Горячая вода циркулирует внутри полых каналов радиатора, и принудительно нагретая вода передает свое тепло панелям, которые отводят тепло через панели и конвекторы к окружающему более холодному воздуху и поверхностям посредством естественной конвекции и излучения. Из-за разницы температур между поверхностями радиатора и окружающим воздухом вокруг радиатора возникают естественные конвекционные потоки. Следовательно, конструкция и геометрические параметры влияют на поле потока вокруг радиаторов и особенно над ними. Поле потока влияет на тепловую мощность радиатора, а также на качество окружающей среды в помещении.

Исследования радиаторов в литературе в основном были сосредоточены на теплоотдаче и тепловых характеристиках, энергопотреблении и конструкции радиаторов. Бек и другие рассматривали использование листов с высокой излучательной способностью между внутренней частью радиаторов. В другом исследовании Бек и соавторы рассматривали эффект излучательной способности стены за радиаторами. Майрен и Холмберг сосредоточили внимание на теплопередаче от внутренних конвекционных ребер, используемых в вентиляционных радиаторах, а также рассмотрели аспекты комфорта и здоровья. В другом исследовании, проведенном Майреном и Холмбергом, была изучена тепловая мощность и комфортные температуры в небольшом офисе. Плоскич и другие стремились исследовать общую производительность вентиляционного радиатора путем изменения конструкции конвекторной пластины. Исследования оптимизации были выполнены Арслантурком и Оцгуком аналитически для оценки оптимальных размеров радиаторов отопления помещений.

Различные исследователи проводили моделирование в помещениях с целью изучения естественной конвективной теплопередачи от радиаторов и влияния на воздушный поток и температуру в помещении. Существует несколько важных параметров, которые необходимо контролировать, чтобы обеспечить условия теплового комфорта в помещении. Существуют также некоторые параметры, которые могут быть использованы для выражения условий теплового комфорта в помещении. В этом смысле Ганеш и другие численно исследовали внутреннюю среду занятого офисного здания с использованием двух типов радиаторов в соответствии с разными стандартами. В другом опыте Ганеша было проведено численное исследование, чтобы показать изменение общей внутренней среды отапливаемого помещения из-за изменения направления потока холодного воздуха на входе путем определения индексов PPD (Predicted percentage of dissatisfied – Прогнозируемый процент комфорта) и PMV (Predicted mean vote – Прогнозируемое среднее значение голосов). Различные стратегии потока были исследованы Эмбайе, чтобы наблюдать влияние на производительность радиаторов, а также распределение температуры и скорости в помещении. Влияние шероховатости поверхности и коэффициента излучения на поток, а также температуру над радиатором исследовал Шати. Саттари провел измерения PIV (Particle Image Velocimetry – Цифровая трассерная визуализация потоков) только в одном месте над электрическим излучателем.

Приведенные выше рассуждения показывают, что существуют большое количество исследований тепловых характеристик радиаторов и их влияния на тепловой комфорт в помещении. Также было замечено, что некоторые измерения поля потока были проведены над радиатором. Кроме того, важно исследовать поле потока в разных местах вдоль радиатора из-за неоднородного распределения температуры на панелях, наблюдающейся в предыдущих исследованиях. Из-за разницы температур между поверхностью радиатора и близлежащим воздухом инициируется естественный конвекционный поток. Поэтому важно определить поток над радиаторами с различными внутренними конструкциями. В предыдущем исследовании той же группы авторов было отмечено, что с исследуемыми радиаторами можно получить близкие значения теплоотдачи, тогда как в процессе производства можно уменьшить использование материала, что может снизить производственные затраты. Следовательно, для обеспечения качества окружающей среды в помещении распределение температуры, а также циркуляции воздуха в отапливаемых помещениях с использованием панельных радиаторов необходимо исследование полей расхода и температуры. В одном из предыдущих исследований авторов была исследована тепловая мощность для различных положений подключения при различных температурах на входе /выходе, чтобы получить наилучшую конфигурацию для увеличения тепловой мощности. В другом из предыдущих исследований авторов были проведены экспериментальные и численные исследования для различных размеров конвекторов, чтобы получить оптимальные удлинители для увеличения теплоотдачи и уменьшения использования материала панелей. Однако поле потока над радиатором и вокруг него не исследовалось и не публиковалось в предыдущих статьях. Следовательно, основной целью этого исследования было получить поле потока над панельным радиатором с различными конструкциями конвекторов, чтобы наблюдать влияние на поле потока над радиаторами. Основной целью этого исследования является визуализация поля потока с использованием результатов измерения скорости изображения частиц и численных результатов по панельным радиаторам PCCP (Panel-convector - конвекторная панель, тип 22) с конвекторами разной высоты на разных продольных расстояниях вдоль радиатора. Кроме того, также целью было наблюдение за распределением температуры над радиаторами на разных высотах. Эти результаты могут быть использованы при проектировании панельных радиаторов с конвекторами для обеспечения качества внутренней среды при меньшем использовании материалов и снижении производственных затрат. В конечном счете, новизна этого исследования заключается в том, чтобы исследовать влияние различных размеров конвекторов, установленных на панельных радиаторах, на поле потока над радиатором, используя Велосиметрическое изображения частиц (PIV) и численные методы, которые не были найдены в настоящей литературе. Поле потока над радиатором напрямую влияет на качество окружающей среды в помещении, поэтому важно соблюдать характеристики поля потока над радиатором. Таким образом, можно было бы обеспечить качественные условия окружающей среды внутри помещений при меньшем расходовании материалов и, кроме того, при меньших затратах на изготовление панельных радиаторов.

Статья №2.

[https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/014070079290056Z]

Низкотемпературный конвектор, изготовленный из полимерного материала для применения в тепловых насосах низкотемпературный конвектор, изготовленный из полимеров, предназначенный для тепловых насосов.

Авторы: G. Angelino, C. Invernizzi.

Дата публикации: 28.07.1990.

Содержание статьи:

С целью снижения рабочей температуры воздухонагревателей был спроектирован и испытан конвектор, состоящий из пластинчатой теплопередающей матрицы, размещенной в нижней части корпуса, выполняющей роль дымохода. Для пластин теплопередачи был выбран недорогой полимерный материал (полипропилен) для получения легкого недорогого устройства. Соответствующая компьютерная программа была использована для оптимизации прототипа конвектора и оценки влияния основных геометрических и эксплуатационных параметров: расстояния между пластинами и высоты; высоты дымохода; температуры и скорости теплоносителя. Характеристики впоследствии изготовленного устройства, измеренные в термостатической испытательной камере, хорошо соответствовали теоретическим прогнозам. В качестве примера была получена мощность 1,2 кВт при средней температуре воды 41°С при объеме конвектора 0,22 м3, две трети которого занимала дымовая труба. Конвектор демонстрировал хорошую теплоотдачу даже при подаче с очень низким расходом воды, что обеспечивало тщательное охлаждение поступающей воды. Производительность конвектора может быть улучшена за счет использования либо более высоких дымоходов, либо механической тяги. В последнем случае теоретически показано, что потребляемая мощность небольшого вентилятора (скажем, 5 Вт) достаточна, по крайней мере, для удвоения естественной конвекционной мощности при условии повторной оптимизации матрицы теплопередачи.

Для снижения рабочей температуры устройств нагрева воздуха разработан и испытан конвектор, состоящий из пластинчатой теплопередающей матрицы, размещенной в нижней части кожуха, выполняющей роль дымохода. Для проектирования пластин теплопередачи был выбран дешевый полимер (полипропилен), что позволило создать недорогую группу легких материалов. Соответствующая компьютерная программа была использована для оптимизации прототипа конвектора и для переоценки влияния основных геометрических и рабочих параметров: расстояния между пластинами и высоты; высоты дымохода; температуры и скорости отводимого тепла. Производительность изготовленной впоследствии группы, измеренная в термостатической экспериментальной камере, удовлетворительно коррелировала с теоретическими прогнозами. Например, была получена мощность 1,2 киловатта при средней температуре воды 41 градус Цельсия при использовании конвектора объемом 0,22 м3, две трети которого занимала дымовая труба. Конвектор показал хорошую тепловую эффективность, даже если расход воды был очень низким, поскольку, таким образом, он обеспечивал отличное охлаждение поступающей воды. Производительность конвектора можно было улучшить, используя более высокие дымоходы или создавая механический воздушный поток. В последнем случае теоретически было показано, что небольшого вентилятора с низким потреблением электроэнергии (например, 5 Вт) достаточно, чтобы, по крайней мере, удвоить эффективность естественной конвекции при условии повторной оптимизации матрицы теплопередачи.

Введение.

Общее устройство конвекторов, их цель, виды и устройство.

Конвектор  —  отопительный прибор, в котором тепло от теплоносителя или нагревательного элемента передаётся в отапливаемое помещение путем конвекции. Естественная и принудительная конвекции, при которых теплый воздух, уже нагретый контактом с теплоносителем или нагревательным элементом, поднимается наверх, а его место занимает более холодный воздух помещения, усиливаются конструкцией конвектора, а именно интенсификацией теплообмена путем оребрения поверхности труб и выбора подходящего материала с наивыгоднейшим коэффициентом теплоотдачи.

Оребрение поверхности трубок предназначено для увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя, имеющего меньший коэффициент теплоотдачи. Ребристые трубки чаще всего применяются в воздухо- или газонагревателях, в воздухоохладителях и сушильных установках, конвекторах и т. п. Применение их оправдано в случаях нагрева воздуха или газа горячей водой или паром, а также во всех других случаях, когда один из теплоносителей имеет большой, а другой — очень маленький по сравнению с первым коэффициент теплоотдачи, в результате чего получаются очень низкие значения коэффициента теплопередачи "k" и соответственно большие размеры поверхности нагрева. Оребрение поверхности нагрева позволяет во многих случаях повысить теплоотвод и компактность теплообменников. В настоящее время существует много различных исполнений конвекторов отопления.

Встраиваемый в пол конвектор.

Рис. 1. Напольный конвектор Varmann Qtherm ECO (Россия)

Рис. 2. Встраиваемый в пол конвектор Varmann Electro (Россия)

На первый взгляд это два схожих конвектора, но на деле есть существенное различие в устройстве. В отличии от первого, конвектор на рис. 2 дополнительно оснащен вентилятором для увеличения мощности и быстроты нагрева. Подача воздуха происходит за счёт воздуходувки и индукции. Вентилятор прикрыт фильтром со стороны забора воздуха. Регулировка производится посредством плавного регулятора числа оборотов двигателя. Также, в отличии от первого, в этом конвекторе происходит не естественная, а принудительная конвекция.

Рис. 3. Встраиваемый в пол конвектор Kampmann Katherm QK (Германия)

В данном конвекторе также как и предыдущем происходит принудительная конвекция. Холодный воздух всасывается диаметральным вентилятором со стороны окна, равномерно продувается через воздухонаправляющие стенки сквозь размещенный параллельно вентилятору конвектор и выдувается в помещение. Дополнительно из помещения индуктивно всасывается вторичный воздух. Таким образом, эффективно предотвращается поступление холодного воздуха в помещение. Конвектор с вынужденной конвекцией и диаметральным вентилятором работают также по принципу естественной конвекции, однако в этом случае их мощность снижается.

В основном, встраиваемые конвекторы предназначены для отопления помещений с большими застекленными проемами. Кроме основной функции (отопления помещений), также предупреждает запотевание стекол и проникновение холодного воздуха в помещение.

Употребляются для вторичного отопления помещений.

Внешний конвектор.

Рис. 4. Напольный конвектор Varmann MINIKON (Россия)

Рис. 5. Настенный конвектор VittaEnergo (США)

Рис. 6. Медный настенный конвектор ClassicStyle 1517 (Россия)

Теплопроводность меди превышает теплопроводность стали и чугуна в 4-6 раз, алюминия в 1,5-2 раза. Для достижения максимального эффекта теплоотдачи также важна однородность применяемых материалов. При прохождении тепловых волн, на границе неоднородных материалов (например, место сплава меди и алюминия в биметаллических радиаторах) возникает сопротивление, снижающее эффективность передачи тепла, следовательно, и теплоотдачу, в исполнении этого конвектора таких проблем не возникнет, он полностью из меди.

Существенное увеличение теплоотдачи на вертикальном квадратном ребре конвектора и соответственно уменьшение поверхности его нагрева может быть уже достигнуто за счет правильного выбора межреберного расстояния и правильной организации движения воздуха в межреберном пространстве. Однако следует отметить, что такой способ интенсификации должен быть обоснован технико-экономическим расчетом и соображениями удобства монтажа и эксплуатации конвектора. Дело в том, что уменьшение поверхности нагрева плоских ребер при их раздвижении приводит примерно к такому же увеличению длины несущей трубы. При этом возрастает общая площадь поверхности, занимаемой конвектором, усложняется монтаж.

Устройство ребер.

В настоящее время используются 2 схема расположения ребер в теплообменных аппаратах:

А) "Универсал"

Рис. 7. Устройство конвектора "Универсал"

Б) "Жалюзийный тип"

Рис. 8. Конструктивная схема конвектора: а — «Универсал»; б — «жалюзи»

Глава 1. Теоретические основы работы.

1.1. Особенности свободноконвективного теплообмена в

вертикальных каналах секционного конвектора.

На основе анализа процессов течения и теплообмена около вертикальных и наклонных поверхностей и современных представлений о проблеме можно следующим образом представить свободноконвективный процесс в вертикальных каналах, расстояние между которыми обозначим d, а высоту H.

Разность между температурой стенки и температурой жидкости в зазоре t_ст-t_r , вызывает появление выталкивающей силы, под действием которой жидкость движется снизу вверх. Характерная температура t_r в зазоре по выстое H возрастает, следовательно, температурный напор Δt=t_ст-t_r и локальная выталкивающая сила убывают. В результате возникшего свободного движения на вертикальной стенке образуется пограничный слой, толщина которого δ по мере продвижения вверх увеличивается. Следует отметить, что толщина δ зависит не только от высоты H, но и от числа Pr, Δt, t_r, d и в общем случае определяется комплексом . Уменьшение Δt по высоте стенки в случае ламинарного погранслоя (Ra < 10⁹) приводит к уменьшению локального коэффициента теплоотдачи α. Величина локальной плотности теплового потока, который определяется как q=α(t_ст-t_r), будет также убывать с высотой, причем быстрее, чем α, т.к. q≈α(t_ст-t_r)^1.25.

Таким образом для интенсификации процесса теплообмена в плоском вертикальном зазоре необходимо уменьшить высоту H и увеличивать Δt=t_ст-t_r.

Уменьшение общего вертикального размера теплоотдающей поверхности должно привести к увеличению коэффициента теплоотдачи, уменьшению температуры воздуха в межреберном пространстве и увеличению теплового потока.

Отдельно остановимся на влиянии на движение и теплообмен межреберного расстояния d. Обычно рассматривают не абсолютную величину d, а комплекс d/H. Очевидно, что с уменьшением величины d/H свободное движение замедляется, α и q падают, и при некотором критическом значении d/H возникает эффект «запирания», то есть движение прекращается. По мере увеличения d/H движение возобновляется, сначала носит характер формирующегося, а затем характер «начального участка». Оптимальное расстояние d, при заданном H, равно двум толщинам погранслоя по высоте H. Как следует, по мере увеличения комплекса d*Ra/H, влияние возникшего движения быстро нарастает, но при d*Ra/H > 10 начинает затухать. Таким образом величина d_опт зависит от режимных факторов и, строго говоря, является переменной величиной, которую можно определить лишь приблизительно как среднюю для заданного диапазона изменения числа Ra. При значительной величине H в плоском зазоре возникает вынужденное движение, обусловленное явлением «самотяги», и процесс движения и теплообмена носит характер смешанного.

1.2 Перспективные методы интенсификации теплообмена при

свободной конвекции в секционных конвекторах.

Все методы интенсификации как вынужденной, так и свободной конвекции, делятся на пассивные и активные.

Для процессов свободной конвекции в секционных конвекторах типа «Универсал», активные методы, связанные с использованием механических средств (вибрация, вращение поверхностей, использование электрических полей, вдув газа через пористую поверхность и т.п.), не являются актуальными.

До сих пор считалось, что пассивные методы, за исключением широко распространенного способа, основанного на применении развитых поверхностей, мало что могут дать для интенсификации теплообмена при свободной конвекции. Хотя методы конструирования единичных и цепочек ребер уже давно хорошо известны, однако почти не уделялось внимания прерывистым развитым поверхностям.

Как показывают исследования последних лет, именно использование прерывистых развитых поверхностей выдвигается на первый план среди пассивных методов интенсификации теплообмена при свободной конвекции. И связано это с тем, что повторное нарастание тепловых слоев на прерывистой поверхности нагрева увеличивает коэффициенты теплоотдачи существенно больше, чем требуется для компенсации площади, теряемой при такой организации поверхности.

Существенное увеличение теплоотдачи на вертикальном квадратном ребре конвектора и соответственно уменьшение поверхности его нагрева может быть достигнуто за счет правильного выбора межреберного расстояния и правильной организации движения воздуха в межреберном пространстве. Однако следует отметить, что такой способ интенсификации должен быть обоснован технико-экономическим расчетом и соображениями удобства монтажа и эксплуатации конвектора. Как показывают предварительные расчеты, уменьшение поверхности нагрева плоских ребер при их раздвижении приводит примерно к такому же увеличению длины несущей трубы. При этом возрастает общая площадь поверхности, занимаемой конвектором, усложняется монтаж.