Параметрическая оптимизация трубчатого оребренного теплообменника с отводом теплоты свободной конвекцией

И. О. Одинцов; А. Б. Гаряев; О. Е. Прун

doi:10.71759/a8fy-r353

Параметрическая оптимизация трубчатого оребренного теплообменника с отводом теплоты свободной конвекцией

И. О. Одинцов, А. Б. Гаряев, О. Е. Прун

Аннотация

Рассмотрена оптимизация параметров трубчатого оребрённого теплообменника, передающего теплоту за счёт свободной конвекции. Объектом исследования являлся конвектор длиной 1000 мм с квадратными рёбрами, равномерно закреплёнными на центральной трубке диаметром 28 мм. В ходе исследования варьировались межрёберное расстояние, размеры рёбер, материал оребрения и температура теплоносителя. В качестве целевой функции принято отношение суммарного переданного теплового потока к общей массе конструкции. Анализ проводился для идеальных рёбер, а также реальных рёбер из углеродистой стали и алюминия. Эффективность квадратного ребра принималась равной эффективности круглого ребра эквивалентной площади. Проведённый анализ показал, что для реальных рёбер существует соотношение геометрических размеров, при котором достигается максимальное значение целевой функции, различное для разных материалов. С ростом температуры максимум имеет более выраженный характер. Он наблюдается в промежутке расстояний между ребрами от 4 до 6,5 мм и высоте пластин от 50 мм (углеродистая сталь) до 100 мм (алюминий). Повышение температуры основания рёбер вызывает смещение оптимального межрёберного расстояния в область меньших значений, тогда как увеличение размеров рёбер приводит к смещению оптимума в сторону бóльших межрёберных расстояний. Полученные результаты позволяют определить оптимальные геометрические параметры конструкции конвектора для различных условий эксплуатации.

Ключевые слова

свободная конвекция, оребрённые поверхности, теплообмен, конвектор, оптимизация

Полный текст:

PDF

Литература

Elenbaas, W. Heat dissipation of parallel plates by free convection / W. Elenbaas // Physica. — 1942. — Т. 9. — № 1. — С. 1 – 28.

Bodoia, J. R. The development of free convection between heated vertical plates / J. R. Bodoia, J. F. Osterle // Journal of Heat Transfer. Vol. 84, Issue 1, pp. 40 – 43, 1962.

Dyer, J. R. The development of natural convection in a partially-heated vertical channel formed by two parallel surfaces / J. R. Dyer, J. H. Fowler // Mechanical and Chemical Engineering Trans., The Institution of Engineers Australia, MC2, Perth. — 1966. — P. 12 – 16.

Miyatake, O. Free convective heat transfer between vertical parallel plates / O. Miyatake // Heat Transfer Japanese Research. — 1972. — Vol. 1. — P. 30 – 38.

Aung, W. Developing laminar free convection between vertical flat plates with asymmetric heating / W. Aung, L. S. Fletcher, V. Sernas // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 1972. — Vol. 15. — No. 11. — P. 2293 – 2308.

Miyatake, O. Natural convective heat transfer between vertical parallel plates with unequal uniform temperatures / O. Miyatake // Kagaku Kogaku. — 1973. — Т. 37. — С. 491 – 496.

Aihara, T. Effects of Inlet Boundary Conditions on Numerical Solutions of Free Convection between Vertical Parallel Plates / T. Aihara. — Tohoku University, Japan, 1973, pp. 1 – 27.

Терехов, В. И. Ламинарная свободная конвекция между вертикальными параллельными пластинами с различными температурами / В. И. Терехов, А. Л. Экаид // Теплофизика и аэромеханика. — 2012. — Т. 19. — № 4. — С. 415 – 429.

Bar-Cohen, A. Thermally optimum spacing of vertical, natural convection cooled, parallel plates / A. Bar-Cohen, W. M. Rohsenow. — 1984. Journal of Heat Transfer, Vol. 106, Issue 1, pp. 116 – 123, 1984.

Kim, D. K. Thermal optimization of plate-fin heat sinks with fins of variable thickness under natural convection / D. K. Kim // International journal of heat and mass transfer. — 2012. — Т. 55. — № 4. — С. 752 – 761.

Liang, C. H. Optimal design of plate-fin heat sink under natural convection using a particle swarm optimization algorithm / Liang C. H. et al. // gen. — 2016. — Т. 2. — С. 2.

Аронов, И. З. Анализ работы отопительных конвекторов / И. З. Аронов, Н. М. Фиалко, Г. А. Пресич // Промышленная теплотехника. — 2003. — Т. 25. — № 1. — С. 78 – 81.

Мхоян, А. А. Влияние направленной излучательной способности на теплоотдачу излучением от однотрубного конвектора / А. А. Мхоян, В. С. Глазов // Энергосбережение — теория и практика: труды Девятой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов, Москва, 05–12 октября 2018 года. — М.: Издательский дом МЭИ, 2018. — С. 102 – 108.

Sajedi, R. Experimental and numerical study on the optimal fin numbering in an external extended finned tube heat exchanger / R. Sajedi, M. Taghilou, M. Jafari // Applied Thermal Engineering. — 2015. — Vol. 83. — P. 139 – 146.

Senapati, J. R. 3D numerical study of the effect of eccentricity on heat transfer characteristics over horizontal cylinder fitted with annular fins / J. R. Senapati, S. K. Dash, S. Roy // International Journal of Thermal Sciences. — 2016. — Vol. 108. — P. 28 – 39.

Гаряев, А. Б. Влияние расположения труб на эффективность оребрения отопительного конвектора / А. Б. Гаряев, О. Е. Прун, Е. С. Рекуненко // Современные задачи инженерных наук [Текст]: сб. науч. трудов VI-го Междунар. науч.-техн. Симпозиума «Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии СЭТТ — 2017» междунар. науч.-тех. форума «Первые международные Косыгинские чтения (11 – 12 октября 2017 года). Т. 2. — М.: ФГБОУ ВО «РГУ им. А. Н. Косыгина», 2017. — С. 28 — 32.

Nemati, H. Natural convection heat transfer over horizontal annular elliptical finned tubes / H. Nemati, M. Moradaghay, M. A. Moghimi, J. P. Meyer // International Communications in Heat and Mass Transfer. — 2020. — Vol. 118.

Shwin-Chung Wong. Numerical study on the natural convection from horizontal finned tubes with small and large fin temperature variations / Shwin-Chung Wong, Wei-Yi Lee // International Journal of Thermal Sciences. — 2019. — Vol. 138. — P. 116 – 123.

AL-Jassani A. J. J. Experimental study for optimum fin spacing of rectangular fin arrangements under the influences of free convection // Journal of engineering Science and Technology. — 2020. — Vol. 15. — No. 6. — P. 4075 – 4090.

Teixeira, Flávio. A Non-Intrusive Method for Evaluation Ammonia Mass Flow Rate in the Condenser for Diffusion-Absorption Refrigerators / Teixeira, Flбvio // Flow Measurement and Instrumentation, Elsevier BV, 2020.

Nemati, H. Optimization of horizontal annular finned tube under natural convection heat transfer / H. Nemati, et al. // Heat Transfer Engineering. — 2022. — Т. 43. — № 17. — С. 1451 – 1463.

Пухкал, В. А. Численное исследование конвектора плинтусного типа / В. А. Пухкал, К. О. Суханов // Новая наука: от идеи к результату. — 2016. — № 6 – 2. — С. 169.

Гришин, Ю. М. Тепловая оптимизация параметров плинтусных систем отопления со свободно-конвективным теплообменом / Ю. М. Гришин, Н. А. Хандрамай // Инженерный журнал: наука и инновации. — 2024. — № 8 (152). — С. 2.

Karami, M. Experimental study of natural convection from an array of square fins / M. Karami, M. Yaghoubi, A. Keyhani // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2018. — Vol. 93. — Pp. 409 – 418.

Пиир, А. Э. Основы проектирования высокоэффективных воздухонагревателей: учеб. пособие / А. Э. Пиир. — Архангельск: Изд-во АГТУ, 1998. — 79 с.

DOI: http://dx.doi.org/10.71759/a8fy-r353