I. Введение

Во многих странах, в том числе и России, расширяется применение в системах отопления трубчато-ребристых нагревательных приборов – конвекторов, которые характеризуются малой инерционностью и металлоемкостью, простотой изготовления, возможностью механизировать и автоматизировать их производство [1, 2]. Одним из видов конструктивного исполнения конвектора является биметаллическая труба с круглыми алюминиевыми ребрами. Площадь внешней поверхности ребристой трубы во много раз больше, чем площадь поверхности гладкой трубы того же диаметра и длины, что придает отопительному прибору особую компактность. К недостаткам конвекторов относится трудоемкость очистки от пыли. При эксплуатации конвектора происходит снижение его тепловой мощности в результате загрязнения внутренней и наружной теплообменной поверхности.

Методики теплогидравлического расчета оребренных биметаллических труб для вынужденной и свободной конвекции приведены во многих источниках [3–9]. В справочной литературе [3, 4] имеется достаточно большое количество проверенных практикой данных по величине термического сопротивления движущихся внутри трубы различных охлаждаемых технологических энергоносителей. Подходы к учету внешнего загрязнения представлены только для вынужденной конвекции и принципиально противоположные. По мнению [4, 5] влияние загрязнения с воздушной стороны можно не учитывать, так как коэффициент теплоотдачи от оребрения к охлаждающему воздуху низок и поэтому термическое сопротивление теплоотдачи с внешней стороны является определяющим в общем термическом сопротивлении теплопередачи. Однако натурные экспериментальные исследования [10, 11] теплопередачи аппаратов воздушного охлаждения из биметаллических ребристых труб с накатанными алюминиевыми ребрами указывают на уменьшение от внешнего загрязнения оребрения коэффициента теплопередачи до 12% при вынужденной конвекции.

Разработаны также теоретические модели расчета коэффициента теплопередачи оребренной биметаллической трубы с кольцевым равномерным загрязнением [12–15] для разреженных круглых ребер, которые, однако, не подтверждены экспериментальными данными.

Цель работы — экспериментальное исследование интенсивности теплового потока и распределение температур на оребренной чистой и загрязненной поверхности круглоребристой трубы при свободной конвекции воздуха.

II. Основная Часть

Объектом исследования являлась биметаллическая ребристая труба со спиральными накатными ребрами. Материал ребристой оболочки – алюминиевый сплав АД1М, материал несущей трубы – углеродистая сталь Ст10. Диаметр несущей трубы $d_h=25$ мм, толщина стенки $\delta =2$ мм. Геометрические параметры оребрения, мм: наружный диаметр ребра d = 56 мм; высота ребра h = 14,6 мм; диаметр по основанию ребра $d_0=d-2h=26,8$ мм; шаг ребра s = 2,5 мм; средняя толщина ребра $\mathrm{\Delta }=0,5$ мм; коэффициент оребрения трубы $\varphi =19,26$. Полная длина биметаллической трубы с торцевыми участками 330 мм, теплоотдающая длина – l = 300 мм.

Исследования проводились методом полного теплового моделирования на специально разработанном в [16] экспериментальном стенде для исследования свободно-конвективного теплообмена. В центре стендовой камеры размером 0,8×0,8×1 м размещалась исследуемая оребренная труба, которая являлась калориметром с установленными средствами измерения.

Конструкция опытной трубы-калориметра представлена на рис.

1. Внутри биметаллической ребристой трубы 1, указанной выше, установлен трубчатый электронагреватель (ТЭН) 2 со следующими параметрами: диаметр — 12,5 мм, длина 320 мм, мощность 320 Вт. Внутри оболочки ТЭНа, выполненного из углеродистой стал и, размещена спираль 3 из проволока с высоким омическим сопротивлением и наполнитель (электротехнический периклаз марки ППЭ). С помощью центровочного кольца 4 обеспечивалась центральное расположение ТЭНа в трубе. А с целью устранения внутренних конвективных токов воздуха и равномерного прогрева ребристой трубы между ТЭНом и стальной стенкой трубы, засыпался кварцевый песок 5 дисперсным составом 0,16–0,32 мм. Торцы трубок герметизировались высокотемпературной силиконовой замазкой 6.

Для измерения средней температуры поверхности калориметра у основания ребер $t_{осн}$ зачеканивалось свинцом пять медь- константановых термопар 7 вдоль образующей трубы, сдвинутых относительно друг друга на угловое расстояние 45°. Термопары были заложены у основания ребер вдоль образующей трубы по винтовой линии на половине окружности трубы, считая, что вторая половина имеет симметричное поле температур. Также на поверхности ребра, размещенного в центре трубы, припаивались четыре медь-константановые термопары 8 (диаметр провода 0,2 мм) с шагом 3,65 мм от основания по высоте 3,65 мм и последней термопарой размещенной на верхушке ребра (рис. 1, сечение /). Предварительно термопары были протарированы с точностью 0,1°C. Торцевые участки оребренной трубы защищены фторопластовыми втулками 9 наружным диаметром $d_{ВТ}=45$ мм, длиной $l_{ВТ}=35$ мм, глубиной $b_{ВТ}=25$ мм. С целью измерения торцевых потоков тепла на поверхности обеих втулок с противоположных сторон закреплялось подва спая общей 4-спайной медь-константановой дифференциальной термобатареи.

Рус. 1: Общий вид калориметрической трубы: 1 – биметаллическая ребристая труба; 2 – трубчатый электронагреватель (ТЭН); 3 – – спираль ТЭНа; 4 – центровочное кольцо; 5 – кварцевый песок; 6 – высокотемпературная силиконовая замазка; 7 – медь-константановые термопары у основания ребер; 8 – медь-константановые термопары по высоте ребра; 9 – фторопластовая втулка; 10 – льняной шнур

Показания медь-константановых термопар 7 и 8 фиксировались с помощью вольтметра (модель GDM-78341 класса точности 0,25), подключенного через переключатель. Холодный спай всех термопар помещался в сосуд Дьюара.

При исследовании кольцевое равномерное загрязнение оребренной трубы создавалось путем плотной намотки между ребрами льняного шнура 10 диаметром 1,7–2,3 мм, средней теплопроводностью ${\lambda }_3=0,05$ Вт / (м К). Таким образом, в межреберном пространстве создавался слой высотой $h_3=3,3;6,3;8,7;11,4;16,1$ мм с неравномерностью ±0,4 мм ((рис 2, а)).

a

6 Рис. 2: Исследование кольцевого равномерного загрязнения оребренной трубы путем намотки льняного шнура а и обматыванием фольги б

Также, для обеспечения максимального термического сопротивления межреберного пространства, чистая оребренная труба герметично обматывалась алюминиевой фольгой толщиной 0,3 мм (рис 2, б). Таким образом, достигалось заполнение межреберного пространства неподвижным воздухом и обеспечивалось максимальное снижение тепловой эффективности ребристой трубы.

Подвод теплового потока к оребренным поверхностям обеспечивался ТЭНом, который подключался к регулируемому масляному трансформатору (модель АОМН-40-220-75). Мощность, подводимая к оребренной трубе, измерялась ваттметром (модель К 505 класса точности 0,5). Температура воздуха $t_0$ внутри камеры измерялась двумя ртутными лабораторными термометрами со шкалой 0–50°C и ценой деления 0, 1°C, расположенными в диагонально противоположных ее углах. Ртутные шарики термометров защищались от излучения пучка экранами из алюминиевой фольги.

Теплота от оребренной поверхности конвекцией и излучением передавалась атмосферному воздуху, который за счет разности плотностей нагретого и холодного воздуха поднимался вверх в окружающую среду. Во время экспериментального исследования оребренной трубы электрическая мощность, подводимая к трубе, поддерживалась постоянной для льняного шнура $W=40\pm 2$ Вт и изменялась для воздуха $W=10,3-77,5$ Вт, температура стенки у основания ребер составляла $t_{осн}=80-{94}^{\circ }C$, а температура окружающего воздуха в камере $t_0=18,4-20,1^{\circ }C$.

Удельный тепловой поток q, Вт/м, на 1 м погонной длины конвектора отведенный от трубы к воздуху конвекцией и излучением, рассчитывался из уравнения

где $Q_n$ – тепловые потери через торцы труб и токоподводы (рассчитывались через ранее полученную экспериментальную зависимость по средней температуре на поверхности втулок), Вт.

Результаты экспериментов представлены на рис. 3, 4. На рис. 3 показана зависимость относительной тепловой мощности трубы $q/\mathrm{\Delta }{t}_{\text{осн}}$ от термического сопротивления загрязнения $R_3=h_3/{\lambda }_3$, где $\mathrm{\Delta }{t}_{\text{осн}}=t_{\text{осн}}-t_0$ – среднее увеличение температуры у основания оребрения над температурой окружающей среды. При размещении в межреберном пространстве неподвижного воздуха $h_3=h=14,6$ мм, а коэффициент теплопроводности воздуха ${\lambda }_3$ определялся в зависимости от средней температуре по поверхности ребра.

Как видно, при высоте загрязнения меньше высоты ребра ( мм), тепловая мощность трубы уменьшается незначительно (менее 10%). При полном закрытии оребрения слоем загрязнения из льняного шнура ( $h_3=16,1$ мм) тепловая мощность уменьшается на 20,5%. По-видимому, это обусловлено тем, что при естественной конвекции в трубах с тесным расположением ребер в межреберном пространстве у основания ребер воздух остается практически неподвижным и является естественным изолятором, а основной отвод теплового потока осуществляется с верхушек оребрения. Поэтому загрязнения межреберного пространства у основания оребрения не приводит к существенному снижению тепловой мощности, а ухудшение теплоотдащих свойств трубы происходит только при загрязнении верхней части оребрения. При изоляции межреберного пространства неподвижным воздухом тепловая мощность снижается до 55%.

Рус. 3: Зависимость относительной тепловой мощности трубы $q/\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{о}\mathrm{с}\mathrm{н}}$ от термического сопротивления загрязнения $R_3=h_3/{\lambda }_3$:! — льняной шнур, — воздух

На рис. 4 представлены зависимости относительного перепада температуры $(t_{\mathrm{p}}-t_0)/q$ по высоте ребра h для чистой и загрязненной оребренной трубы, где $t_p$ температура на поверхности ребра определенная термопарами 8 (рис. 1, сечение I). Пунктирной линией на рисунке показана граница раздела чистой и загрязненных областей оребренной поверхности (выше пунктирной области температуры $t_p$ определялись термопарами закрытыми загрязнением).

Рус. 4: Зависимости относительного перепада температуры $(t_{\mathrm{p}}-t_0)/q$ по высоте ребра h для чистой $(h_3=0)$, загрязненной льняным шнуром a и неподвижным воздухом б оребренной трубы с высотой загрязнения $h_3$ и тепловой мощностью W:! - $h_3=0mm$, - $h_3=3,3mm$, 7 - $h_3=6,3mm$, B - $h_3=8,7mm$, $\mathrm{\Lambda }-h_3=11,4mm$, $\mathrm{\Omega }-h_3=16,1mm$;! - W = 10,3 Вт,! - W = 19,3 Вт,! - W = 26,0 Вт, - W = 51,0 Вт,! - W = 77,5 Вт

Как видно, температура по высоте боковой поверхности ребра уменьшается незначительно (менее 2%), а на верхушке ребра по отношению к основанию – на 6–9%.

III. Заключение

Проведено экспериментальное исследование интенсивности теплового потока и распределение температур на оребренной чистой и загрязненной поверхности круглой трубы при свободной конвекции воздуха.

При загрязнении оребренной поверхности только у основания ребер тепловая мощность теплообменной трубы уменьшается менее чем на 10%. Предельное загрязнение межреберного пространства неподвижным воздухом уменьшило тепловую мощность более чем в два раза. Следовательно, при эксплуатации трубчатых ребристых конвекторов не обязательна их частая и тщательная очистка от глубоких межреберных плотных загрязнений.