В ходе исследования авторами обнаружено, что при естественной конвекции в трубах с тесным расположением рёбер загрязнение межрёберного пространства у основания оребрения не приводит к существенному снижению тепловой мощности (менее 10%), а ухудшение теплоотдающих свойств трубы происходит только при загрязнении верхушек оребрения (на 20,5%). Температура по высоте боковой поверхности ребра уменьшается незначительно (менее 2%), а на верхушке ребра по отношению к основанию — на 6–9%. Следовательно, при эксплуатации ребристых конвекторов систем отопления не обязательна их частая и тщательная очистка от загрязнений.

Введение

Во многих странах, в том числе и в России, расширяется применение в системах отопления трубчато-ребристых нагревательных приборов — конвекторов, которые характеризуются малой инерционностью и металлоёмкостью, простотой изготовления, возможностью механизировать и автоматизировать их производство [1, 2]. Одним из видов конструктивного исполнения конвектора является биметаллическая труба с круглыми алюминиевыми рёбрами. Площадь внешней поверхности ребристой трубы во много раз больше, чем площадь поверхности гладкой трубы того же диаметра и длины, что придаёт отопительному прибору особую компактность.

К недостаткам конвекторов относится трудоёмкость очистки от пыли. При эксплуатации конвектора происходит снижение его тепловой мощности в результате загрязнения внутренней и наружной теплообменной поверхности.

Методики теплогидравлического расчёта оребрённых 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 учёту внешнего загрязнения представлены только для вынужденной конвекции и принципиально противоположны. По мнению специалистов [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 рёбрами указывают на уменьшение коэффициента теплопередачи от внешнего загрязнения оребрения до 12% при вынужденной конвекции.

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

Цель работы — экспериментальное исследование интенсивности теплового потока и распределение температур на оребрённой чистой и загрязнённой поверхности кругло-ребристой трубы при свободной конвекции воздуха.

Основная часть

Объектом исследования являлась биметаллическая ребристая труба со спиральными накатными рёбрами.

Материал ребристой оболочки — алюминиевый сплав АД1М, материал несущей трубы — углеродистая сталь Ст10. Диаметр несущей трубы — dн = 25 мм, толщина стенки — δ = 2 мм. Геометрические параметры оребрения: наружный диаметр ребра — d = 56 мм; высота ребра — h = 14,6 мм; диаметр по основанию ребра d0 = d — 2h = 26,8 мм; шаг ребра — s = 2,5 мм; средняя толщина ребра — D = 0,5 мм; коэффициент оребрения трубы — φ = 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 размерами 0,8×0,8×1,0 м размещалась исследуемая оребрённая 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 стали, размещена спираль 3 из проволоки с высоким омическим сопротивлением и наполнитель (электротехнический периклаз марки ППЭ). С помощью центровочного кольца 4 обеспечивалось центральное расположение ТЭНа в трубе. 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.

Экспериментальное исследование влияния внешнего загрязнения на тепловую мощность трубчатого ребристого конвектора. 8/2019. Фото 1

Для измерения средней температуры поверхности калориметра у основания рёбер tосн зачеканивались свинцом пять медь-константановых термопар 7 вдоль образующей трубы, сдвинутых относительно друг друга на угловое расстояние 45°. Термопары были заложены у основания рёбер вдоль образующей трубы по винтовой линии на половине окружности трубы, при допущении, что вторая половина имеет симметричное поле температур. Также на поверхности ребра, размещённого 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, размещённой на верхушке ребра (рис. 1, сечение I). Предварительно термопары были протарированы с точностью 0,1°C. Торцевые участки оребрённой трубы защищены фторопластовыми втулками 9 наружным диаметром dвт = 45 мм, длиной lвт = 35 мм, глубиной bвт = 25 мм. С целью измерения торцевых потоков тепла на поверхности обеих втулок c противоположных сторон закреплялось по два спая общей четырёхспайной медь-константановой дифференциальной термобатареи.

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

При исследовании кольцевое равномерное загрязнение оребрённой трубы создавалось путём плотной намотки между рёбрами льняного шнура 10 диаметром 1,7–2,3 мм и средней теплопроводностью lз = 0,05 Вт/(м·К). То есть в межрёберном пространстве создавался слой высотой hз = 3,3; 6,3; 8,7; 11,4 и 16,1 мм с неравномерностью ± 0,4 мм (рис. 2а).

Экспериментальное исследование влияния внешнего загрязнения на тепловую мощность трубчатого ребристого конвектора. 8/2019. Фото 2

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

Подвод теплового потока к оребрённым поверхностям обеспечивался ТЭНом, который подключался к регулируемому масляному трансформатору (модель АОМН-40–220–75). Мощность, подводимая к оребрённой трубе, измерялась ваттметром (модель К505 класса точности 0,5). Температура воздуха t0 внутри камеры измерялась двумя ртутными лабораторными термометрами со шкалой 0–50°C и ценой деления 0,1°C, расположенными в диагонально противоположных её углах. Ртутные шарики термометров защищались от излучения пучка экранами из алюминиевой фольги.

Теплота от оребрённой поверхности конвекцией и излучением передавалась атмосферному воздуху, который за счёт разности плотностей нагретого и холодного воздуха поднимался вверх в окружающую среду. Во время экспериментального исследования оребрённой трубы электрическая мощность, подводимая к трубе, поддерживалась постоянной для льняного шнура W = 40 ± 2 Вт и изменялась для воздуха W в пределах от 10,3 до 77,5 Вт, температура стенки у основания рёбер составляла tосн = 80–94°C, а температура окружающего воздуха в камере t0 = 18,4–20,1°C.

Удельный тепловой поток q [Вт/м] (на 1 п.м. длины конвектора) отведённый от трубы к воздуху конвекцией и излучением, рассчитывался из уравнения:

Экспериментальное исследование влияния внешнего загрязнения на тепловую мощность трубчатого ребристого конвектора. 8/2019. Фото 3

где Qп — 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 и 4.

Экспериментальное исследование влияния внешнего загрязнения на тепловую мощность трубчатого ребристого конвектора. 8/2019. Фото 4

На рис. 3 показана зависимость относительной тепловой мощности трубы q/Δtосн от термического сопротивления загрязнения Rз = hз/lз, где Δtосн = tосн — t0 — среднее превышение температуры у основания оребрения над температурой окружающей среды. При размещении в межрёберном пространстве неподвижного воздуха hз = h = 14,6 мм, а коэффициент теплопроводности воздуха lз определялся в зависимости от средней температуры по поверхности ребра.

Как видно, при высоте загрязнения меньше высоты ребра (hз < h = 14,6 мм) тепловая мощность трубы уменьшается незначительно (менее 10%). При полном закрытии оребрения слоем загрязнения из льняного шнура (hз = 16,1 мм) тепловая мощность уменьшается на 20,5%. По-видимому, это обусловлено тем, что при естественной конвекции в трубах с тесным расположением рёбер в межрё- берном пространстве у основания рёбер воздух остаётся практически неподвижным и является естественным изолятором, а основной отвод теплового потока осуществляется с верхушек оребрения.

Поэтому загрязнение межрёберного пространства у основания оребрения не приводит к существенному снижению тепловой мощности, а ухудшение теплоотдающих свойств трубы происходит только при загрязнении непосредственно верхней части оребрения.

При изоляции межрёберного пространства неподвижным воздухом тепловая мощность снижается до 55%.

Это предположение косвенно подтверждается путём сравнения относительной тепловой мощности оребрённой трубы с тепловой мощностью гладкой трубы диаметром, равным диаметру оребрения d = 56 мм (на рис. 3 представлена в виде пунктирной линии), рассчитанной по [17]. Как видно, тепловые мощности чистой оребрённой трубы и гладкой трубы сопоставимы, что подтверждает представление об интенсивном отводе тепла с верхушек рёбер.

Экспериментальное исследование влияния внешнего загрязнения на тепловую мощность трубчатого ребристого конвектора. 8/2019. Фото 5

На рис. 4 представлены зависимости относительного перепада температуры (tр — t0)/q по высоте ребра h для чистой и загрязнённой оребрённой трубы, где tр — температура на поверхности ребра определённая термопарами 8 (рис. 1, сечение I). Пунктирной линией на рисунке показана граница раздела чистой и загрязнённых областей оребрённой поверхности (выше пунктирной области температуры tр определялись термопарами, закрытыми загрязнением). Как видно, температура по высоте боковой поверхности ребра уменьшается незначительно (менее 2%), а на верхушке ребра по отношению к основанию — на 6–9%.

Заключение

Проведено экспериментальное исследование интенсивности теплового потока и распределение температур на оребрённой чистой и загрязнённой поверхности круглой трубы при свободной конвекции воздуха. При загрязнении оребрённой поверхности только у основания рёбер тепловая мощность теплообменной трубы уменьшается менее чем на 10%. Предельное загрязнение межрёберного 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 межрёберных плотных загрязнений.