Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время одним из самых дорогих энергетических ресурсов является тепловая энергия. Ее высокая стоимость вызвана, как проблемами ее производства (низкие КПД теплогенерирующих установок и рост цен на топливо), так и проблемами ее эффективной передачи и использования. Тепловая энергия от момента производства до пользователя несколько раз проходит преобразование в различных теплообменных аппаратах (ТА) и устройствах, коэффициенты тепловой эффективности которых часто не превышают 40-70%.
Европейский рынок теплообменников составлял в 2003 году 3 млрд долл. США. Рынок теплообменников в Республике Татарстан ориентируется в основном на производителей из других регионов России и компаний дальнего зарубежья. В республике производство теплообменных аппаратов различного назначения производится средними предприятиями в мелкосерийных масштабах. К примеру, кожухотрубные теплообменники для коммунальной энергетики и теплоэлектроэнергетики производят предприятия ОАО РПО «Таткоммунэнерго», ООО КФ «Камэнергоремонт», МУП ПО «Казэнерго», ООО «Камэнергоремонт-холдинг». Рынок пластинчатых теплообменников составляют в основном европейские теплообменники фирм «Аlfа-Laval», «АРV», «SWEP», «Funke», а также теплообменники производства ЗАО «Ридан» (г. Нижний Новгород), «Теплотекс» ГУП «Мостепло», ООО «Машимпекс» (г. Москва), ЗАО «Теплоэффект» (г. Ижевск) и др.
Основным видом теплообменных аппаратов в системах отопления являются отопительные радиаторы, на рынке которых существует сильная конкуренция. Поэтому при создании конкурентноспособных теплообменных аппаратов для систем водяного отопления необходимо использовать не только результаты экспериментальных исследований в области интенсифицированного теплообмена в отопительных приборах, но и самые современные средства проектирования, такие как: компьютерное моделирование, позволяющее достичь заявленных технико-экономических характеристик отопительных приборов с наименьшими затратами. Кажущаяся простая форма отопительных приборов является результатом значительного труда, как расчетного, так и экспериментального характера, в направлении повышения эффективности отопительных приборов.
Несмотря на большое количество работ в научно-технической литературе по теплообмену и гидродинамике в условиях вынужденной конвекции, имеется достаточно ограниченное количество информации по особенностям протекания процесса тепломассообмена вблизи вертикальных поверхностей в условиях свободной конвекции, соответствующей условиям работы вертикальных конвекторов. Поэтому представляют большой интерес, как численные, так и экспериментальные исследования по интенсификации теплообмена в вертикальных радиаторах, представляющие собой актуальную прикладную проблему.
Цель работы: улучшение характеристик отопительных приборов систем водяного отопления за счет интенсификации теплообмена вблизи вертикальных нагревательных поверхностей в условиях свободной конвекции с использованием результатов численных и экспериментальных исследований.
Задачи исследований:
-
Проанализировать имеющиеся способы повышения эффективности отопительных приборов, выявить из них наиболее перспективные для алюминиевых вертикальных радиаторов.
-
Разработать численные модели процессов тепломассообмена и аэродинамики вблизи вертикальных поверхностей отопительных приборов, провести численные исследования по повышению эффективности вертикальных радиаторов.
-
Разработать экспериментальный стенд для испытаний образцов отопительных приборов с интенсифицированным теплообменом и провести экспериментальные исследования процессов тепломассообмена в интенсифицированном отопительном приборе.
-
Разработать методику внедрения инновационного отопительного прибора в производство.
Научная новизна.
Научная новизна основных положений диссертации заключается в следующем:
-
Разработаны численные модели процессов тепломассообмена и гидродинамики вблизи вертикальных поверхностей отопительных приборов систем отопления в условиях свободной конвекции в программном комплексе ANSYS CFX.
-
Изучено влияние сферических выемок и перфорации в виде отверстий с доворотом на интенсификацию теплообмена и гидравлическое сопротивление вертикальных алюминиевых радиаторов, выявлены количественные значения параметров интенсификации теплообмена.
-
По результатам анализа экспериментальных исследований выявлены значения величин интенсивности теплообмена и гидравлических сопротивлений в условиях свободной конвекции на вертикальных алюминиевых профилях.
-
Разработаны рекомендации на проектирование оптимизированных алюминиевых профилей отопительных приборов.
Практическая и научная значимость.
Разработанные численные модели процессов теплообмена и гидрогазодинамики в элементах отопительных приборов и созданная экспериментальная установка для тепловых и гидравлических испытаний отопительных приборов мощностью до 2 кВт и с температурой воды до t=95оC, позволили усовершенствовать конструкцию отопительных радиаторов и изготовить их опытные образцы из алюминия с интенсифицированным теплообменом.
Реализация результатов исследований:
-
Получен патент на разработанную конструкцию алюминиевого отопительного радиатора с интенсификацией теплообмена.
-
Разработанные рекомендации использованы при создании отопительных приборов в ООО НПФ «Энергия и Эффективность».
-
Разработана методика внедрения отопительных приборов в промышленное производство на основе инновационной модели, реализованная в
ООО НПФ «Энергия и Эффективность».
Личный вклад автора в работу.
Автором разработана вычислительная модель процессов теплообмена и гидродинамики вблизи вертикальных поверхностей отопительных приборов. Спроектирована и создана экспериментальная установка для тепловых и гидравлических испытаний отопительных радиаторов. Разработана конструкция и изготовлены опытные образцы отопительных приборов. Проведены испытания и экспериментальные исследования, обработаны, обобщены и проанализированы полученные результаты, проведено внедрение разработки в производство.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы представлялись на международной научной конференции «Туполевские чтения». (Казань, 10-11 ноября 2005 г.), международной научнo-методической конференции «Инновационное образование в техническом университете», (Казань, 2004 г., стр 100-101), юбилейной международной научно-технической конференции «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности Росиии» (Казань, Казанский гос. энерг. ун-т, 2007).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в рекомендуемых ВАК журналах, 4 тезисов докладов, 1 статья в материалах конференции, получен 1 патент на полезную модель.
Объем и структура работы.
Диссертация изложена на 180 листах машинописного текста. Она состоит из введения, четырех глав и списка литературы. В работе содержится 95 рисунков и 26 таблиц. Список использованной литературы включает 104 наименования работ.
