Размещено на http://www.allbest.ru/

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО “ФИЗИКА-СОЛНЦЕ”

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления солнечных воздушных нагревателей с интенсификацией теплоотдачи

05.14.05 - теоретические основы теплотехники

кандидата технических наук

Умурзакова Муяссар Абубакировна

Ташкент - 2009

Работа выполнена в Ферганском политехническом институте Министерства Высшего и среднего специального образования

Научный руководитель- академик Захидов Р.А.

Официальные оппоненты -

Ведущая организация - Каршинский государственный университет

Защита состоится «____» ___________ 2009 г. в _____ часов на заседании специализированного совета в ФТИ НПО «Физика-Солнце» АН РУз по адресу: 700084, Ташкент, 84, ул.Г.Мавлянова, 2 «б».

факс (3712) - 1 -35 -42- 91

Е- mail: avezov @ uzsci. net

С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз, г. Ташкент, ул. Г. Мавлянова, 2«б»

Автореферат разослан «____» _____________ 2009 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета Авезова Н.Р.

кандидат технических наук.

Резюме

теплообмен сопротивление гидродинамический шероховатость

диссертации Умурзаковой Муяссар Абубакировны на тему «Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления солнечных воздушных нагревателей с интенсификацией теплоотдачи» на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.05. Теоретические основы теплотехники

Ключевые слова: солнечные воздушные нагреватели, интенсификация теплоотдачи, гидродинамическое сопротивление, эффективность, модель, диффузор-конфузор, дискретная шероховатость, перфорация.

интенсификация, гелиоприемники, перфорация, дискретная шероховатость.

Объект исследования: в качестве объекта исследования рассматриваются гелиоприемники солнечных воздушных нагревателей различной геометрии.

Цель работы: исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления солнечных воздушных нагревателей с интенсификацией теплоотдачи.

Методы исследования: эксперимент, физическое и математическое моделирование, численный расчет.

Полученные результаты и их новизна: методы рациональной интенсификации теплоотдачи путем пристенного воздействия в теплоотводящих каналах при низких скоростях потоков; эмпирические зависимости по теплообмену и гидравлическому сопротивлению теплоотводящих поверхностей типа: диффузор-конфузор, с перфорацией с выступами шероховатости; критерии эффективности, основанные на аналогии Рейнольдса и методике одинаковых затрат мощности; диффузорно-конфузорная поверхность с углами раскрытия диффуза 12,7⁰ и соотношением протяженности диффузора и конфузора 5:1, в которой диффузорная часть выполнена в виде профиля Жуковского, позволяющая снизить профильную часть гидравлического сопротивления.

Практическая значимость: выполненные исследования позволили получить данные по теплообмену и гидравлическому сопротивлению теплоотводящих каналов с поверхностями типа; диффузор-конфузор, с перфорацией и дискретной шероховатостью; предложена уточненная модель интенсификации теплообмена на поверхности диффузорно-конфузоррного типа; полученные опытные данные по теплообмену и гидравлическому сопротивлению могут быть рекомендованы к использованию в проектировании эффективных солнечных воздушных нагревателей.

Степень внедрения и экономическая эффективность: результаты научных исследований и практические рекомендации использованы в следующих разработках: монографии «Интенсификация теплообмена в каналах солнечных воздушных нагревателей», подготовленной для специалистов, занимающихся вопросами разработки солнечных воздушных нагревателей, а также для магистров и аспирантов, обучающихся и проводящих научные исследования в области гелиотехники и теплотехники; опытном образце солнечного воздушного нагревателя с перфорированным гелиоприемником, использовавшимся в технологическом процесс сушки плодов на Туракурганском заводе (Наманганский область) методические пособия и указания при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий курса «Планирование экспериментов» для студентов энергетического факультета Ферганского политехнического института.

Область применения: сушильные установки, системы солнечного теплоснабжения.

?ис?ача мазмуни

Техника фанлари номзоди илмий даражасига талабгор Умурзакова Муяссар Абубакировнанинг 05.14.05. “Исси?лик техникаси назария асослари” ихтисослиги бўйича “Исси?лик бериши жадаллаштирилган ?уеш-?аво иситкичларнинг исси?ликни бериши ва гидравлик ?аршилигини тад?и?оти” мавзусидаги диссертациянинг

Таянч сузлар: ?уёш-?аво иситгичлар, исси?лик беришни жадаллаштириш, гидродинамик ?аршилиги, самарадорлик, модель, диффузор-конфузор, дискрет ?адир - будирлик, перфорация.

Тад?и?от объекти: тад?и?от объекти сифатида ?уёш-?аво иситкичларнинг турли геометрияли бўлган гелио?абул ?илувчилари кўриб чи?илган.

Ишнинг ма?сади: исси?лик бериши жадаллаштирилган ?уёш-?аво иситкичларнинг исси?лик бериши ва гидравлик ?аршилигини тад?и?оти.

Тад?и?от усули: эксперимент, физик ва математик моделлаштириш, сонли ?исоб.

Олинган натижалар ва уларнинг янгилиги: исси?ликни олиб кетувчи каналларида кичик тезликли о?имларга девор ёнлаб таъсир ?илиши йўли билан исси?лик беришни рационал жадаллаштириш усуллари; диффузор-конфузор, перфорацияланган ва ?адир-будирликка эга бўлган исси?ликни олиб кетувчи юзалар учун исси?лик алмашинуви ва гидравлик ?аршилиги бўйича эмпирик бо?ланишлар; Рейнольдс аналогияси ва ?увватни тенг сарфлаш услубида асосланган самарадорлик мезони; диффузор ?исми Жуковский профили кўринишида бажарилган диффузор ва конфузор узунликлари 5:1 нисбатида ?амда диффузорнинг очилиш бурчаги 12,7⁰ бўлган диффузор-конфузор юзасини гидравлик ?аршилигини профиль ?исмини пасайтиришга имкон беради.

Амалий а?амияти: бажарилган тад?и?отлар натижасида диффузор-конфузор, перфорацияланган ва дискрет ?адир-будирликка эга бўлган юзали исси?ликни олиб кетувчи каналларнинг исси?лик алмашинуви ва гидравлик ?аршилиги бўйича маълумотлар олиш имкони яратилди; диффузор-конфузор юзада исси?лик алмашинувни жадаллаштириш учун ани?лаштирилган модели тавсия этилди; тажрибада олинган исси?лик алмашинуви ва гидравлик ?аршилиги бўйича маълумотлар самарали ?уёш-?аво иситкичларни лойихалаштиришда ?ўллашга тавсия ?илиниши мумкин.

Тадби? этиш даражаси ва и?тисодий самарадорлиги: илмий тад?и?отлар натижалари ва амалий тавсиялар ?уйидаги ишланмаларда келтирилган: ?уёш-?аво иситкичларни ишлаб чи?иш масалалари билан шу?улланадиган мутахассислар ?амда гелиотехника ва исси?лик техникаси сохасида та?сил олаётган ва илмий-тад?и?отлар ўтказаётган магистр ва аспирантлар учун тайёрланган “?уёш-?аво иситкич каналларида исси?лик алмашинувини жадаллаштириш” монографияда. Тўра?ур?он заводи (Наманган вилояти) меваларни ?уритиш технологиясида ?ўлланган ?уёш-?аво иситкичнинг тажрибавий перфорацияланган гелио?абул ?илувчининг намунасида; Фар?она политехника институтининг Энергетика факультетида талабаларга “Экспериментларни режалаштириш” фанидан маъруза, лаборатория ва амалий маш?улотларини ўтказиш учун услубий ?ўлламана ва кўрсатмаларида.

?ўлланиш сохаси: ?уритиш ?урилмалари, ?уёшли исси?лик таъминоти тизими.

Resume

To the dissertation work of the Muyassar Abubakirovna Umurzakova on the theme: “The Investigation of the heat issue and hydraulic resistance of the solar air heaters with intensive heat issue” on the getting of the scientific degree of the candidate of technical sciences on the specialty 05.14.05 “Theoretical basics of heat techniques”

Key words: solar air heaters, intensification of the heat issue, hydrodynamic resistance, effectiveness, model, diffuser - confessor, discreet fault, perforation.

Subject of investigation: as the subjects of the investigation geliorecievers of the Solar air heaters of the different geometry are concerned.

The aim of the work: the investigation of the heat issue and hydraulic resistance of the solar air heaters with intensification of the heat issue.

Method of the investigation: experiment, physics and mathematics modeling, equation solutions.

Received results and their actuality: methods of rational intensification of the heat issue by the means of by-the-wall influence in the heat outing channels with the low speeds of flows; empirical depending of the heat exchanging and hydraulic resistance of the heat outing surfaces of the following type: diffuser - confessor, with perforation of discreet fault; criteria's of the effectiveness, based on the analogical laws of Reynolds and methods of the similar power consumption; diffuser - confessor surface with the corners of the diffuser opening 12,7 and equivalently distance of the diffuser - confessor 5:1; in which diffuser's part is made in the type of Zhukovskiy's profile, what gives the opportunity to lowdown profile part of the hydraulic resistance.

Practical importance: the present investigations allowed to get information on the heat exchanging and hydraulic resistance of the heat outing channels with the following types of the surface: diffuser - confessor, with perforation and discreet fault; offered concreted model of the intensification of the heat exchange on the surface of the diffuser - confessor type: the received experimental information on the heat exchange and hydraulic resistance may be recommended for the usage in the projecting of the effective solar air hitters.

Level of the interference and economical effectiveness: the results of the scientific investigations and practical recommendations are used in the following works: “Intensification of the heat exchange in the channels of the solar air heaters made for the specialists, worked on the problems of the construction and design of the solar air heaters, and also for megastars, aspirants who conduct scientific investigations in the field of geliotechnics and heat techniques; experimental example of the solar air heater with perforation geliorecieving devices, used in the technological process of the heating of the fruits and vegetables in the Turakurgan's plant (Namangan city) in the methodological guides on the course.

“ The Planning process of the experimental investigations” and practical works of the students of the energetic faculty of the Fergana Polytechnic Institute

The field of appliance: heating systems, Systems of the Solar heat providence.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. С развитием и усовершенствованием теплотехнического оборудо-вания, предусматривающих создание высокоэффективных теплоэнергетичес-ких установок; увеличением теплопотребления промышленными предприя-тиями; уменьшением природных топливно-энергетических ресурсов перед теплотехникой и гелиотехникой ставится серьезная проблема создания теплообменных устройств по использованию солнечной энергии, работающих с высоким коэффициентом полезного действия.

Республика Узбекистан, по своему географическому расположению и климатическим условиям, находится в зоне большого солнечного потока и большого количества солнечных дней в году. В связи с этим использование экологически чистой, не требующей больших затрат солнечной энергии в системах теплоснабжения, сушильных и других установках, позволит сэкономить значительное количество природного топлива. Учитывая малые капитальные затраты, отсутствие коррозии в каналах солнечных устройств и небольшой расход металла на изготовление, применение солнечных воздушных нагревателей (СВН) является особенно перспективным. Однако, воздух обладает низкой теплоемкостью и малым коэффициентом теплоотдачи, в результате чего традиционные плоские солнечные воздушные нагреватели имеют малую теплопередающую эффективность и обладают большими габаритами.

Реальным путем улучшения вышеуказанных показателей является интенсификация теплообмена в каналах гелиоприемника СВН.

Теплоотдача теплопередающей поверхности зависит от ряда факторов: формы теплообменной поверхности гелиоприемника, скорости теплоносителя, температурного режима и т.д.

Следует отметить, что из всех указанных способов, позволяющих существенно повысить теплоотдачу в данном типе нагревателя, наиболее эффективным способом увеличения теплообмена, является турбулизация потока при помощи формы теплообменной поверхности гелиоприемного устройства. В связи с этим, исследования, связанные с интенсификацией теплоотдачи в каналах СВН путем воздействия формы поверхности на поток, являются на сегодняшний день особенно актуальными.

Актуальность темы подтверждается также тем, что в настоящее время мало уделено внимания исследованиям теплоотдачи и гидравлического сопротивления СВН с рациональной интенсификацией теплоотдачи. В частности, не рассмотрены вопросы использования поверхностей с интенсификацией теплоотдачи. К ним относятся: диффузорно-конфузорные каналы; каналы с перфорацией и с дискретной шероховатостью. Указанные каналы могут значительно повысить теплообмен и, таким образом, повысить эффективность СВН.

Эффективность СВН характеризуется количеством переданного тепла относительно затрат механической энергии на прокачку воздушного потока.

Правильно организованная интенсификация теплообмена может обеспечить уменьшение габаритов нагревателя при постоянных суммарных потерях давления на прокачку теплоносителя.

Предлагаемые способы повышения теплоотдачи должны быть разработаны с учетом гидродинамических особенностей СВН (малые скорости теплоносителя, а также влияние свободной конвекции). Кроме того, требуется решить проблему оценки теплообмена при применении конкретного метода интенсификации теплообмена в СВН. Такие критерии могут быть получены исходя из зависимостей между отношениями чисел Нуссельта Nu/Nu_гл и коэффициентами сопротивлений /_гл для гелиоприемных каналов с интенсификацией теплообмена и для гладких каналов. Таким образом, разработка высокоэффективных СВН является актуальной современной задачей требующей своего скорейшего решения.

Степень изученности проблемы

Анализ научной литературы показал, что в настоящее время остаются неизученными вопросы интенсификации теплообмена на поверхностях с диффузорно-конфузорным профилем, дискретной шероховатостью и перфорацией при малых числах Рейнольдса. Также, отсутствуют данные об их эффективности для условий, характерных при эксплуатации СВН.

Связь диссертационной работы с тематическими НИР.

Результаты научных исследований диссертации были использованы при выполнении Государственного заказа по прикладным и инновацион-ным исследованиям:

- «Разработка высокоэффективных технологий, технических средств энерго- и ресурсосбережения, рационального использования и восполнения топливно-энергетических ресурсов» тема: «Разработка солнечных воздушных нагревателей с интенсификацией теплоотдачи» 2003-2005 гг;

- «Проектирование, создание и внедрение солнечных воздушных нагревателей с интенсификацией теплоотдачи» 2007-2008 гг.

Цель исследования:

Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления солнечных воздушных нагревателей с интенсификацией теплоотдачи.

Задачи исследования

- экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамического сопротивления эффективных поверхностей СВН:

- уточнение моделей интенсификации теплообмена на диффузорно-конфузорных поверхностях;

- разработка модели интенсификации теплообмена на поверхности с дискретной шероховатостью;

- определение теплогидравлической эффективности СВН с интенсификацией теплоотдачи

Объект исследования

В качестве объекта исследования рассматриваются гелиоприемники СВН диффузорно-конфузорного профиля, с дискретной шероховатостью и с перфорацией.

Методы исследования

Для исследования теплоотдачи и гидродинамического сопротивления в гелиоприемниках применялись: классические методы теории подобия, теории пограничного слоя, известные методы расчета процесса теплообмена.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Из научно-технических разработок - опытные данные по теплоотдаче и гидродинамическому сопротивлению гелиоприемников диффузорно-конфузорного профиля, с дискретной шероховатостью и с перфорацией.

2. Из научно-теоретических разработок - уточненные модели пристенных течений на гелиоприемниках с поверхностями диффузорно-конфузорного типа, модель пристенной шероховатости, расчеты критериев теплогидравлической эффективности.

Научная новизна.

Элементами научной новизны, которые автор выносит на защиту, являются:

- методы рациональной интенсификации теплоотдачи путем пристенного воздействия в теплоотводящих каналах плоских СВН при низких скоростях потоков (R_e=10³10⁴);

- эмпирические зависимости по теплообмену и гидродинамическому сопротивлению теплоотводящих поверхностей диффузор-конфузор, с перфорацией, с выступами шероховатости;

- впервые разработанные и апробированные критерии эффективности, для СВН с интенсификацией теплоотдачи, основанные на аналогии Рейнольдса и методике одинаковых затрат мощности;

- впервые на основе проведенных исследований предложенная диффузорная-конфузорная поверхность с углами раскрытия диффузора - 12,7⁰ и соотношением протяженности диффузора и конфузора 5:1, в которой диффузорная часть выполнена в виде профиля Жуковского. Поверхность позволяет снизить профильную часть гидравлического сопротивления. На данную поверхность получен патент Р.Уз. UZ IAP 03138 (Бюл. №4 от 31.06.2006 )

Научная и практическая значимость результатов исследования.

На основе выполненных исследований получены новые данные по теплообмену и гидродинамическому сопротивлению теплоотводящих каналов СВН, выполненных в виде диффузорно-кофузорных профилей, поверхностей с перфорацией, а также с дискретной шероховатостью.

Уточненная модель интенсификации теплообмена на поверхности диффузорно-конфузорного типа с углами раскрытая >12⁰ обеспечивает лучшую сходимость экспериментов с ранее разработанными моделями теплообмена, а также способствует пониманию механизма роста теплообмена. Полученные опытные данные по теплообмену и гидродинамическому сопротивлению, могут быть рекомендованы к использованию при проектировании эффективных СВН.

Реализация результатов работы

Результаты научных исследований и практических рекомендаций использованы в следующих разработках:

- монографии «Интенсификация теплообмена в каналах солнечных воздушных нагревателей», подготовленной для специалистов, занимающихся вопросами разработки СВН, а также для магистров и аспирантов обучающиеся и проводящие научные исследования в области гелиотехники и теплотехники;

- опытном образце СВН, с перфорированным гелиоприемником с полезной теплопередающей площадью в 10 м² и гелиоприемником с дискретной шероховатостью с полезной теплопередающей площадью 10, 2 м², использовавшихся в технологическом процессе сушки плодов на Туракурганском заводе (Наманганская обл).

Результаты исследований используются при чтении лекций «Планирование экспериментов» для студентов Энергетического факультета Фер ПИ, выполнении лабораторных и практических работ курса.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований были доложены на: Первой международной научно-теоретической и практической конференции Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления «Автоматизация-97» Ташкент, 1997; Международной научно-практической конференции «Инновация-98», Фергана 1998; республиканской научно-практической конференции «Химические и технологические проблемы использования природных ресурсов Приаралья» Нукус, 1999, республиканской научно-технической конференции «Техника и исследова-ния передовых методов в информационных и производственных технологиях» Фергана, 2003, конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики; посвященная 60-летию Академии наук Республики Узбекистан «Физико-технического института Ташкент, 2003; республиканской научно-технической конференции «Новые компози-ционные материалы и конструкции. Фергана, 2005; международной научно-технической конференции «Современные проблемы и перспективы механики». Ташкент, 2006; на республиканской научно- технической конфе-ренции « Ишлаб чи?аришни модернизациялаш, техник ва технологик ?айта жихозлашда инновациялар, и?тисодий самарадор усуллар ва ноанъанавий ечимлар» Фергана 2008; на республиканской научно - технической конференции « Ноанъанавий энергия ишлаб чи?аришнинг электртехник, электормеханик ва электротехнологиг мажмуаларнинг автоматлаштирлган тизимлари ва уларни такомиллаштириш» Фергана 2008; на международной научно-технической конференции «Современное состояние и актуальные проблемы развития энергетики» Ош 2008.

Опубликованность результатов

Основное содержание диссертации изложено в 38 опубликованных работах, в том числе в 21-ти научных статьях в международном научном журнале «Гелиотехника».

Структура и объем диссертации

Диссертация представлена на 107 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 11 таблицами 25 рисунками, включает введение, четыре главы, заключение, выводы, приложения и список использованной литературы, состоящей из 95 литературных источников зарубежных и отечественных авторов

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цель и задачи, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

Глава 1. Интенсификация теплоотдачи в каналах солнечных воздушных нагревателей (СВН). Эффективность СВН.

В связи с ростом цен на традиционные энергоносители все более острую актуальность приобретают проблемы использования солнечной энергии.

Учитывая что, в системах воздушного отопления и кондиционирования воздуха а также, в сушильной технике используется теплота низкого потенциала (до-70%), то применение солнечных воздушных нагревателей является перспективным и позволяет повысить экономичность существующих систем теплоснабжения и теплоэнергетических установок.

Солнечные воздушные нагреватели, в сравнении с водяными, отличаются низкими начальными капитальными затратами, малыми эксплуатационными расходами на прокачку воздуха, отсутствием коррозии и небольшими расходами на ремонт.

Однако, вследствие того, что воздух имеет небольшую теплопроводность как теплоноситель и малые коэффициенты теплоотдачи от стенки гелиоприемника, то существующие гладкие плоские солнечные воздухонагреватели имеют низкий термический к.п.д и, следовательно, являются малоэффективными. Предлагаемые в ряде литературных источников конструкции воздухонагревателей являются малоэффективными с точки зрения роста гидравлических потерь ( рис. 1 приложения ).

Сделан вывод о том, что для увеличения эффективности плоских СВН целесообразным считается применение методов интенсификации теплообмена, достаточно подробно разработанных в теории теплотехники и заключающиеся в пристенной турбулизации воздушного потока, протекающего через гелиоприемный канал СВН.

В главе проанализированы способы увеличения теплообмена в каналах СВН, такие как: закрутка потока, использование искусственной шероховатости, применение знакопеременного градиента давления. Сделан вывод, что для разработки эффективных СВН наиболее приемлемыми считаются поверхности диффузорно-конфузорного типа, поверхности с нанесенными дискретными элементами шероховатости. Отмечено, что для создания в гелиоприемниках процессов рациональной интенсификации теплообмена необходимо искусственно турбулизировать лишь узкую пристеночную часть воздушного потока.

Данный способ интенсификации теплообмена может быть реализован на предлагаемых поверхностях при малых скоростях потока теплоносителя, а именно, не возмущая основное ядро потока, создать ранний ламинарно-турбулентный переход в узкой пристеночной части потока. Анализ литературы показал, что в настоящее время практически отсутствуют экспериментальные данные по теплообмену и гидравлическому сопротивлению поверхностей, предлагаемых к применению для условий характерных в СВН ( свободная конвекция, низкие числа Re). А также требуют уточнения модели интенсификации теплообмена на диффузорно-конфузорных поверхностях, разработанных в ряде научных работ, в том числе и диссертаций. Отмечено, что из-за отсутствия критериев теплогидравлической эффективности не проанализирована эффективность предлагаемых поверхностей.

Глава 2. Экспериментальное исследование теплообмена и гидравлического сопротивления эффективных поверхностей свн.

В данной главе поставлена и решена задача экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена гелиоприемных каналов диффузорно-конфузорного профиля, с дискретной шероховатостью и с перфорацией в условиях характерных для эксплуатации СВН, а именно при малых числах Рейнольдса.

Для проведения экспериментальных исследований теплогидравлических характеристик теплообменных поверхностей был использован аэродинамический контур разомкнутого типа, который состоял из следующих основных элементов: вентилятора, лабораторного автотрансформатора, опытного участка и предвключенного участка (рис.2 приложения).

Особенностью экспериментальной установки является возможность замены поверхности теплообмена в опытном участке - 1 без разборки всего стенда. Предвключенный участок имел протяженность 900 мм с целью стабилизации течений и исключения влияния входных возмущений потока.

Дно опытного участка было выполнено из древесноволокнистой плиты толщиной 0,03 м с дополнительной тепловой изоляцией (снаружи) из пенопласта ПХВ-1. Светопрозрачное ограждение установки имеет два слоя оконного стекла с воздушной прослойкой между ними, толщина которой равна 0,012 м. Лучевоспринимающая площадь поверхности всех теплоприемников одинакова и составляет 0,27 м². Теплоприемники изготовлены из кровельной жести толщиной 0,0005 м. Для уменьшения лучистого теплообмена между теплоприемником и внутренней поверхностью ограждающей конструкции, а также влияния его на конвективный теплообмен между теплоприемником и воздушным потоком, боковые стороны теплоотводящего канала покрывались зеркальной металлизированной пленкой.

Скорость воздушного потока и перепад давлений на опытном участке измерялись с помощью трубки Прандтля и микроманометра типа ММН-7.

Каналы диффузорно-конфузорного профиля имели следующие геометрические характеристики: угол раскрытия диффузорного участка соответствовал 8⁰, 16⁰ и 20⁰;

диаметр гелиоприемного канала составлял d=0,018; 0,033; 0,046 м; протяженность диффузорного участка составляла 0,03 м; 0,02 м; протяженность конфузорного участка составляла 0,02 м, 0,01 м, 0,005 м.

Поверхность с дискретной шероховатостью представляла собой гладкую поверхность с расположенными на ней полувыступами в шахматном порядке.

При коридорном расположении полувыступов поперечный шаг между выступами равнялся 0,01 м, а продольный шаг равнялся соответственно 0,002, 0,025 м и 0,01 м. Высота полувыступов во всех случаях равнялась 0,04 м. Размеры выступов и щелей выбирались исходя из соображения создания в потоке небольших гидравлических сопротивлений.

Исследования проводились в два этапа. На первом этапе были проведены эксперименты по исследованию теплоотдачи при скоростях потока, соответствующих скоростям течений в СВН. На втором этапе были приведены исследования по определению гидродинамического сопротивления, рассматриваемых поверхностей.

Теплогидродинамические испытания проводились при числах Рейнольдса Re=10³10⁴. Опыты проводились на аэродинамической трубе разомкнутого типа.

Результаты экспериментов показали высокий коэффициент теплоотдачи в таких каналах в диапазоне чисел Рейнольдса Re=10³10⁴

На рис. 1 а, б показаны варианты исследованных поверхностей с соответствующими геометрическими параметрами.

Рис 1 а. Диффузорно-конфузорная поверхность.

- протяженность диффузорного и конфузорного участков.

_g - угол раскрытия диффузорного участка.

Рис. 1 б. Схема пластинчатой поверхности с шахматным расположением полусферических выступов

Всего было исследовано 45 опытных образцов поверхностей, из них: 27 поверхностей диффузорно- конфузорного типа , 6 поверхностей с полувыступами шероховатости, 7 поверхностей с перфорацией.

Получены опытные данные по теплоотдаче и гидродинамическому сопротивлению диффузорно-конфузорных каналов, каналов с перфорацией и с дискретной шероховатостью при малых числах Рейнольдса (Re=10³10⁴). Эксперименты проведенные на вышеуказанных поверхностях показали высокий теплообмен и гидравлическое сопротивление относительно гладкого канала. Кроме того, результаты экспериментов по гидродинамическому сопротивлению и теплоотдаче показали, что при угле расширения диффузора =20⁰ и соотношением длин диффузора и конфузора наблюдается высокий теплообмен и значительное отклонение аналогии Рейнольдса в сторону диссипации энергии. Показана высокая теплоотдача каналов с дискретной шероховатостью шахматного расположения. Особенно они эффективны для соотношений поперечных и продольных шагов .

Глава 3. Теоретический анализ пристенных течений на поверхностях с интенсификацией теплоотдачи.

На основе анализа литературных источников, а также полученных во II главе диссертационной работы экспериментальных данных по гидродинамическому сопротивлению каналов диффузор-конфузор сделано заключение, что для углов расширения =20⁰ и наблюдается сильный разрыв аналогии Рейнольдса в пользу диссипации энергии. Разработанные ранее модели интенсификации теплоотдачи и расчеты по ним в этом случае показывают сильное расхождение теории с экспериментами по сопротивлению.

Следовательно, для таких геометрий каналов требуется уточнение моделей интенсификации и получение инженерной формулы для гидродинамического сопротивления. Кроме того, в данной главе предложена модель интенсификации теплообмена на поверхности с дискретной шероховатостью, которая позволяет определить коэффициенты теплоотдачи методом теории пограничного слоя.

Для диффузорно-конфузорных поверхностей и в соответствии с экспериментальными данными Сперроу Е.М. и Мендеса С. принят следующий механизм пристенного течения:

пристенное течение состоит из коротких отрывистых течений, причем количество отрывов зависит от угла - раскрытия диффузорного участка канала. То есть:

а) при углах = 2⁰ ч 6° пристенное течение может быть безотрывным на протяжении нескольких циклов диффузорно-конфузорного участка.

б) при углах = 6⁰ ч10° пристенное течение является прерывистым, причем на одном цикле образуются два коротких пристенных течения (одно на диффузоре, другое на конфузоре).

в) при углах > 12⁰ пристенное течение состоит из трех коротких пристенных течений (два на диффузоре и один на конфузоре).

Считается, что короткие прерывистые течения имеют свойства турбулентного пограничного слоя и применяя формулы конвективной теплоотдачи для пластины, получена обобщенная формула расчета теплообмена канала:

( 1 )

Учитывается тот факт, что в таких каналах, состоящих из диффузорно-конфузорных поверхностей, смыкания пограничных слоев не происходит. Исходя из последнего получено:

( 2 )

где - средний коэффициент трения на участке цикла.

Следовательно, сопротивление всего канала будет равно:

( 3 )

Анализ показал, что формулы (1, 3) расчета теплоотдачи и сопротивления диффузорно-конфузорных поверхностей позволяют проводить теоретические расчеты теплоотдачи и гидродинамического сопротивления гелиоприемников типа диффузор-конфузор лишь для небольших углов (<12⁰).

В соответствии с полученными в МЭИ моделями интенсификации, пристенное течение вблизи стенок диффузор-конфузор может быть рассмотрено, как прерывистое турбулизированное течение (см. приложение )

Главным в модели течения является, предположение о том, что основное ядро потока практически остается невозмущенным, а эффект интенсификации теплоотдачи получается за счет обновления плоского гидродинамического слоя. Анализ результатов сопоставления теоретического расчета гидродинамического сопротивления по моделям интенсификации и полученных экспериментальных данных в работе А.А.Гухмана и др., а также данных полученных в настоящей диссертации показывает неудовлетворительное совпадение теории и эксперимента (погрешность составляет до 50%). Следовательно, можно сделать вывод, что разработанные модели интенсификации в работах не полностью отвечают тем гидродинамическим процессам, которые протекают в системах диффузор-конфузор при углах расширения диффузоров >12⁰.

Для адекватного описания происходящих пристенных процессов принято, что в этой области течения реализуется модель струйного пристенного течения.

Отличительной чертой такого течения, является не полное присоединение пристенного потока к стенке диффузора. Примем условную схему обновления пограничного слоя, показанную на рис 2.

Рис. 2. Условная схема обновления пограничного слоя. 1-струя, 2, 3-пограничные слои.

В этом случае часть основного потока в виде струйки продвигается в поле знакопеременного давления и на некотором расстоянии присоединяется к стенкам канала.

На основании принятой модели предложено, что влияние струйного течения согласно работам А. Ефимова (МЭИ) можно учесть с помощью степени дросселирования потока - х.

Здесьd_max - максимальный диаметр канала, d_min - минимальный диаметр канала.

Таким образом, модель интенсификации теплообмена для гидродинамического сопротивления запишем так:

,(4)

где n - показатель степени.

Анализ показывает, что при значении показателя степени n=1,7 расчеты по полученной формуле (4) удовлетворительно совпадают практически во всем диапазоне с опытными данными различных авторов.

Таким образом, сделан вывод, о том, что причиной диссипации энергии в каналах выше указанной геометрии, приводящей к отклонению аналогии Рейнольдса в сторону переноса количества движения, является образование струйного потока. На рис.4. ( см приложение) показано сопоставление расчетов по формуле (4) с экспериментальными данными . Как видно из графиков совпадение данных расчетов и эксперимента удовлетворительное.

Для поверхности, с искусственной шероховатостью учитывая, что пристенное течение является сложным по причине отрывов потока, принята следующая схема течения:

полусферические выступы расположены в шахматном порядке на небольшом расстоянии друг относительно друга. Оптимальное расстояние между выступами выбрано таким, чтобы отрывной поток образующийся от выступа не охватывал следующий соседний выступ, а имел возможность присоединиться к плоскому участку поверхности. С другой стороны, расстояние между соседними выступами должно быть таким, чтобы постоянно срабатывал эффект короткого турбулентного пограничного слоя.

Сделан вывод, что при малых диаметрах ( до 4мм ) полуцилиндрических выступов пристенное течение соответствует диффузорно - конфузорному течению при углах = 6° ч 10° , причем на одном цикле образуются два коротких пристенных течения (одно по потоку, другое- против потока ). Для расчета теплообмена использована формула (1). На рис. 7-10. (см приложение) показаны результаты сопоставления расчета конвективного теплообмена по формуле (1) и данные собственных экспериментов. Из графика следует, что удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных наблюдается для поверхностей № 32,34,28. В остальных случаях сильное расхождение экспериментальных и расчетных данных объясняется несовершенством выбранной модели интенсификации теплообмена.

Автором диссертации в соавторстве была подана заявка на изобрете-ние, целью которого является снижение профильной составляющей сопротивления для каналов типа диффузор-конфузор с углами расширения диффузора > 12⁰. Сущность изобретения состоит в том, что интенсификация теплообмена и сопротивления для таких каналов объясняется, прежде всего, отрывами потока от стенок в расширяющейся части т.е. диффузорах, причем на этой части каналов были обнаружены зоны отрывных и безотрывных течений. Недостатком диффузорно-конфузорной поверхности является высокое гидравлическое сопротивление. Задачей изобретения является снижения гидравлического сопротивления диффузорно-конфузорной поверхности при углах диффузора > 12⁰. Поставленная задача достигается тем, что диффузорная часть каждого периода поверхности (период поверхности равен протяженности одного диффузора и конфузора) выполнена в форме профиля Жуковского.

Предлагаемая диффузорно-конфузорная поверхность с профилем Жуковского работает следующим образом: поток воздуха, протекающий вдоль диффузорно-конфузорной поверхности, при входе в диффузорную часть попадает в область положительного градиента давления. При углах раскрытия диффузора =12,7⁰ и более гидродинамический пограничный слой отрывается от стенок канала, способствуя при этом образованию вихревой зоны и увеличению профильной составляющей гидродинамического сопротивления.

Использование диффузорно-конфузорной поверхности с диффузорной частью, выполненной в форме профиля Жуковского, приводит к тому, что повышение давления на такой поверхности происходит постепенно. Поэтому, точка отрыва пограничного слоя сдвигается назад и лежит позади точки с минимальным давлением. Таким образом, затягивание отрыва пограничного слоя уменьшает отрывную зону и позволяет уменьшить профильную составляющую гидродинамического сопротивления.

Эксперименты показали существенное снижение гидравлического сопротивления диффузорно-конфузорной поверхности с профилем Жуковского.

Глава 4. Оценка теплогидравлической эффективности свн

В данной главе исследован вопрос теплогидравлической эффективности каналов СВН с профилем типа диффузор-конфузор, с дискретной шероховатостью и с перфорацией. Ясно, что только совместный анализ максимального переноса теплоты с наименьшими затратами механической энергии может дать исчерпывающий ответ.

Постановка данной задачи неразрывно связана с аналогией Рейнольдса, которая выражает зависимость между интенсивностью процесса теплообмена и интенсивностью диссипации энергии. Целью настоящей главы было изучение отклонений аналогии Рейнольдса в каналах типа диффузор-конфузор , с дискретной шероховатостью, а также с перфорацией .

Расчет отклонений от аналогии Рейнольдса в каналах СВН.

На основании формулы аналогии Рейнольдса, полученной для плоской пластины:

(4-1)

Для течений в каналах с интенсификацией теплообмена имеем для каждого гидродинамического слоя

(4-2)

При переходе к течению в канале воспользуемся соотношением:

получим:

или

(4-3)

где

В общем случае примем

(4-4)

Учитывая что значения Nu и могут выражаться в виде

получим

(4-5)

Если к<8, то отклонение от аналогии Рейнольдса произойдет в сторону переноса теплоты, в противном случае отклонение от аналогии Рейнольдса произойдет в сторону переноса количестве движения. Таким образом, проведем вычисления отклонения по полученной формуле (4-5 ) для каналов с профилями диффузор-конфузор и каналов с дискретной шероховатостью.

В таблице №4-1 и №4-2 представлены результаты расчетов. Как видно из таблиц практически для всех диаметров каналов наблюдается высокая эффективность применяемых способов интенсификации теплоотдачи..

Таблица №4-1. Значения коэффициента К для каналов диффузорно-конфузорного типа

dэ мм	Данные А.А.Гухмана и др.	Данные Ё.С.Аббасова и М.А.Умурзаковой
	47,7	33,3	6,8	46,0	33	18
Диффузор-конфузор	5:1	5:1	5:1	5:1	5:1	5:1
Re=2103	7,9	7	10,8	7,3	7,38	8

Таблица №4-2. Значения коэффициента К для каналов с дискретной шероховатостью

dэ мм	dэ=46	dэ=33	dэ=18
Re=2103
Re=2103
Re=2103

Сравнение СВН с интенсификацией теплообмена также выполнено относительно базового гладкого СВН, при следующих условиях: считаем одинаковыми затраты мощности на прокачку теплоносителей т.е. N=const, поверхности теплообмена F=const, а также эквивалентные диаметры воздухонагревателя d_э=const.

Наиболее эффективной конструкцией СВН будем считать конструкцию, при которой на гелиоприемной поверхности с интенсификацией теплоотдачи обеспечивается высокий теплообмен. Выразим это математически:

условие одинаковой мощности на прокачку теплоносителей запишем так

:

или

откуда

Полученная формула может быть использована при сравнении теплообмена двух СВН. Зная Re_гл, и _гл вычисляем Re для СВН с интенсификацией теплообмена. Далее, используя формулы конвективного теплообмена для гладкотрубной поверхности в турбулентном режиме.

и полученные эмпирические формулы для поверхностей с интенсификаторами теплообмена вида

окончательно сравнение теплообмена проводим согласно соотношения:

или

Если данное соотношение больше 1, то поверхность теплообмена считается эффективной. Следуя разработанной методике, проведена оценка эффективности испытанных поверхностей. Результаты расчета эффективности приведены в приложении. Как видно из расчетов практически все исследованные каналы эффективны по теплоотдаче.

Заключение

1. Предложены способы и поверхности, создающие эффект рациональной интенсификации теплообмена в каналах солнечных воздухонагревателей

2 На основе анализа данных по исследованию гидродинамического сопротивления в каналах диффузорно-конфузорного типа, полученных А.А.Гухманом и др. [86] и Ё.С.Аббасова [94], выявлено существенное отклонение аналогии Рейнольдса в сторону диссипации энергии для больших углов раскрытия диффузора (>15⁰) и (). А также, существенное расхождение экспериментальных данных от расчетов по моделям интенсификации [94].

3 Для подтверждения выводов n.2. разработана экспериментальная установка и исследовано гидродинамическое сопротивление и теплообмен в гелиоприемниках типа диффузор-конфузор с углом расширения канала =20⁰ и соотношением протяженности диффузора и конфузора равного 5:1. Результаты исследований также подтвердили значительный рост гидродинамического сопротивления.

4 Предложена модель пристенного течения и на её основе уточненная и инженерная формула гидродинамического сопротивления для выше указанных геометрий гелиоприемных каналов. Модель основана на закономерностях струйных течений, при этом наблюдается удовлетворительное совпадение экспериментальных данных с теоретическими расчетами. Сделан вывод о том, что причиной диссипации энергии наблюдающейся в каналах диффузор-конфузорного типа в месте перехода от конфузора и диффузору с углом >15⁰ и является образование струйного течения.

5. С целью расширения диапазона применения интенсификаторов теплообмена в гелиоприемниках предложена поверхность с дискретной шероховатостью шахматного расположения с высотой выступов d=0,004 м, с поперечным шагом , , надежной поверхности. Обнаружена существенная интенсификация теплоотдачи при низких числах Re(10³10⁴).

6. Для создания теоретических основ расчета теплотехнических характеристик поверхности с дискретной шероховатостью разработана модель пристенного течения и получена инженерная формула для расчета теплоотдачи.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

I. Учебные пособия, монографии, статьи в журналах и сборниках.

1. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Интенсификация теплообмена в каналах солнечных воздушных нагревателей. Монография. Фергана: Техника. 2004. 128 с.

2. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А., Исси?лик энергетик ?урилмалари. Учебное пособие. Фергана: 2002. 233 с.

3. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А., Расчет теплообмена в гелиовоздухо подогревателе с перфорированным теплоприемником. // Гелиотехника 1995, № 5. с. 30-33.

4. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А., Расчет сопротивления в диффузорно-конфузорных каналах гелиоприемников в условиях безотрывного течения. // Гелиотехника. 1998. № 3. с. 22-26.

5. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А., Вопросы математического моделирования процесса теплообмена в солнечных воздухонагревателях. // Гелиотехника. 1998. № 6. с. 89-91.

6. Аббaсов Ё.С., Умурзакова М.А., Сравнительная эффективность солнечных воздушных нагревателей диффузорно-конфузорных конструкций. // Гелиотехника. 1999. №1. с. 78-80.

7. Аббaсов Ё.С., Умурзакова М.А., Методика инженерного расчета солнечных воздушных нагревателей. // Гелиотехника. 1999. №4. с. 9-11.

8. Аббaсов Ё.С., Умурзакова М.А., Применение метода подобия к тепловым процессам в диффузорно-конфузорных гелиоприемниках. // Гелиотехника. 2000. №2. с. 54-59.

9. Аббaсов Ё.С., Умурзакова М.А., Оценка эффективности солнечных воздухонагревателей с диффузорно - конфузорными гелиоприемниками. // Гелиотехника. 2000. №3. с. 27-30.

10. Аббaсов Ё.С., Умурзакова М.А., Расчет гидравлического сопротивления диффузорно-конфузорных каналов гелиоприемников солнечных воздушных нагревателей в условиях влияния выступов. // Гелиотехника. 2001. №1. с. 60-63.

11. Аббaсов Ё.С., Умурзакова М.А., Разработка критериев теплогидравлической эффективности диффузорно-конфузорных солнечных воздушных нагревателей. // Гелиотехника. 2001г. №2. с. 16-20.

12. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Модель пристенного течения в каналах диффузорно-конфузорных гелиоприемников солнечных воздушных нагревателей в условиях влияния выступов. // Гелиотехника 2002. №1. с.37-39.

13. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Оценка эффективности солнечных воздушных нагревателей с диффузорно-конфузорными гелиоприемниками. // Гелиотехника. 2002. №2. с.44-46.

14. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Анализ режимов работы эффективных солнечных воздухонагревателей. // Гелиотехника 2002. №3. с.29-31.

15. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Сравнительный анализ эффективности теплоотдающих гелиоприемных поверхностей диффузорно-конфузорных конструкций. Гелиотехника. 2004. №4. 6 с.

16. Аббасов Е.С., Насретдинова Ф. Об анологии Рейнольдса в солнечных воздушных нагревателях. НТЖ. ФерПИ. 2004. №3. 3 с.

17. Расчет эффективного коэффициента теплоотдачи солнечных гелиопремников с турбулизаторами. Гелиотехника. 2005. №1. 2 с.

18. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Оценка теплогидравлической эффективности лучепоглощающих поверхностей солнечных воздушных нагревателей. Гелиотехника. 2005. №2. 4 с.

19.Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Теплогидравлическая оценка гелиоприёмных поверхностей. Гелиотехника. 2005.№3.. 4 с.

20. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Расчет эффективности солнечных воздушных нагревателей с плоскоовальными турбулизаторами. // Гелиотехника 2006. №1 с.41-43.

21. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Теплоотдача цилиндрических турбулизаторов солнечных воздушных нагревателей . // Гелиотехника 2006. № 2 с. 46-49.

22. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Расчет температуры воздушного потока в солнечных воздухонагревателях. // Гелиотехника 2006. № 4 с. 84-86.

23. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Тепловая эффективность СВХН с диффузорно - конфузорными гелиоприемниками. // Гелиотехника 18. 2007. № 1 с. 37-43.

24. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Применение метода размерностей в исследовании процессов конвективного теплообмена в солнечных коллекторах. Гелиотехника 2008 №4. 4 с.

II. Патенты

1. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Диффузорно-конфузорная поверхность (патент UZ IAP 03138 от 31.06. 2006 г).

III. Тезисы научных конференций

1. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Вопросы управления и регулирования системы воздушного солнечного теплоснабжения. Матер. Первой межд. научно-теоретич. и практ. конф. Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления. «Автоматизация-97» Тошкент. 1997. 1 с.

2. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Моделирование солнечных устройств /сб. статей Международной научно - практической конференции «Инновация-98». Фергана. 1998. с.148.

3. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Вопросы использования и повышения эффективности солнечных устройств в энергетике Приаралья «Химические и технологические проблемы использования природных ресурсов Приаралья». Материалы Республиканской научно-практической конференции. Нукус. 1999.

4. Аббасов Ё.С., Акбаров К.А., Умурзакова М.А. Модель пристенного течения в солнечных воздухонагревателях с турбулизаторами. / Материалы республиканской научно-технической конференции «Техника и исследования передовых методов в информационных и производственных технологиях». Фергана. 2003 с.234.

5. Аббасов Ё.С., Акбаров К.А., Умурзакова М.А. Расчет турбулизированного пограничного слоя в солнечном воздухонагревателе. / Материалы республиканской научно-технической конференции «Техника и исследования передовых методов в информационных и производственных технологиях». Фергана. 2003. С.235-237.

6. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Определение критической скорости потока в солнечном воздухонагревателе с диффузорно-конфузорной поверхностью. Матер. республ. научно-технич. конф. Техника и исследования передовых методов в информационных и производственных технологиях. Фергана. 2003. 2 с.

7. Аббасов Ё.С., Умурзакова М.А. Эффективность гелиоприемных поверхностей солнечных воздушных нагревателей. Труды конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики» посвященной 60-летию Академии наук Республики Узбекистан и Физико-Технического института. Ташкент. 2003. С.127-128.

8. Аббасов Ё.С. Интенсификация теплообмена в гелиоприемниках солнечных воздушных нагревателей. / Труды конф. Фундаментальные и прикладные вопросы физики, посвящ. 60-летию Академии наук Республики Узбекистан и Физико-Технического института. Ташкент 2003. С.121-126.

9. Аббасов Ё.С. Теплогидравлическая эффективность солнечных воздушных нагревателей, использующихся в системах инженерных коммуникаций. Матер. республ. научно-технич. конф. Новые композиционные материалы и конструкции. Фергана. 2005. 4 с.