CC BY
45
УДК 536.25:674.047
В.Б. Кунтыш, А.В. Позднякова, В.И. Мелехов
Кунтыш Владимир Борисович родился в 1941 г., окончил в 1963 г. Ленинградский технологический институт целлюлозно-бумажной промышленности, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики Архангельского государственного технического университета, член-корреспондент Международной энергетической академии и академик Международной академии холода. Имеет более 290 печатных трудов в области интенсификации конвективного теплообмена развитых поверхностей при внешнем обтекании их однофазными газовыми теплоносителями и теоретических основ для проектирования высокоэффективных теплообменников воздушного охлаждения энергоносителей.
Мелехов Владимр Иванович родился в 1939 г., окончил в 1961 г. Архангельский лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой древесиноведения и тепловой обработки древесины Архангельского государственного технического университета, действительный член Академии проблем качества РФ, член-корреспондент РАЕН. Имеет около 200 работ по проблемам древеисноведения, технологии обработки древесины, ресурсосбережения и рационального использования древесины.
ТЕПЛООТДАЧА ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИЕИ ОДИНОЧНОГО РЯДА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ КАЛОРИФЕРОВ ЛЕСОСУШИЛЬНЫХ КАМЕР
Установлено, что увеличение шага оребренных труб от 58 до 70 мм сопровождается ростом теплоотдачи в 1,34 раза, которая достигает значений теплоотдачи для одиночной вертикальной трубы и остается неизменной при больших значениях шага труб. Результаты опытов обобщены критериальными уравнениями, действительными в интервале числа Релея (0,55...5,0)-108.
теплоотдача конвекцией, оребренные трубы, калориферы, камерная сушка.
Камерная сушка пиломатериалов является самым энергоемким процессом в технологии деревообрабатывающих производств [5]. Для уменьшения энергопотребления в лесосушильных камерах (ЛСК) все большее применение находят режимы с естественной конвекцией воздуха, особенно при сушке твердолиственных наиболее ценных пород древесины [3]. Подобная тенденция наблюдается и в процессе сушки с мягкими режимами традиционных хвойных пиломатериалов. Для естественно-конвективного нагрева воздуха в ЛСК наиболее целесообразно применять калориферы, пучки которых представляют собой одиночный ряд вертикально расположенных биметаллических ребристых труб (БРТ) с накатными алюминиевы-
ми ребрами. Калориферы такой конструкции обычно используют для нагрева воздуха в промышленных помещениях, цехах лесопиления, деревообработки и пр. Однако в научно-технической литературе отсутствуют сведения об исследованиях и расчетные зависимости теплоотдачи при естественной конвекции воздуха в пучках из вертикальных труб БРТ, для восполнения которых выполнена настоящая работа.
Опыты проводили в условиях полного теплового моделирования на вертикальных однорядных пучках из БРТ со спиральными трехзаходными алюминиевыми ребрами следующих геометрических параметров: наружный диаметр d = 55,6 мм; высота h = 14,55 мм; шаг S = 2,91 мм; толщина А = 0,75 мм; диаметр у основания ребра d0 = d-2h = 26,5 мм. Наружный диаметр несущей трубы dH = 25 мм, толщина ее стенки 8 = 2 мм. Теплоотдаю-щая длина экспериментальных биметаллических ребристых труб / = 300 мм. Коэффициент оребрения труб ср = 16,8.
Эксперимент состоял из 9 серий опытов, во время которых определены теплоотдачи одиночной вертикальной трубы и однорядных вертикальных пучков с шагом расположения труб в решетке S = 58, 61, 64, 70, 76, 86, 100, 120 мм, которому соответствует относительный шаг а = S/d = 1,043; 1,097; 1,151; 1,259; 1,367; 1,547; 1,799; 2,158.
В ряду устанавливали пять труб, обогреваемых электрическим током с помощью нихромовых нагревателей. Центральная труба ряда являлась калориметром, на половине которого через 45 о по спирали заложены пять термопар. Подробное описание экспериментальной установки, конструкции трубы-калориметра и методика проведения опытов изложены в [2, 4].
Коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией, оп-
ределяли по формуле
W-О -О О
_ _^ПОТ ^Л _ _К__/ ] \
ак~ F{t -t ) ~ F{t -t )'
v ст о y v ст о у
где W- подводимая электрическая мощность, Вт;
Опот ~ тепловые потери через торцы (принимают по рекомендациям [4]), Вт;
<9Л - тепловой поток излучением, Вт;
Ок - тепловой поток конвекцией, Вт;
т—1 2
b - полная теплоотдающая поверхность калориметра, м ;
tCT - средняя температура поверхности стенки у основания ребра, °С;
t0 - температура окружающего воздуха, °С.
Тепловой поток излучением вычисляли по [4]:
Qn =Со8эфФ1-2^
т V (т
ст 100
o
100
(2)
где С0 - постоянная Стефана-Больцмана;
еэф ~ эффективная степень черноты калориметра, принимаемая по рекомендациям [1, 4];
Ф1-2 ~~ угловой коэффициент излучением, определяемый по зависимостям работы [4].
Результаты опытов обработаны и представлены в числах подобия Нуссельта
а I N11 =-
и Рэлея
Яа =
а,
яР/3('ст-'0)
IIV
Теплофизические свойства воздуха (коэффициент теплопроводности X, коэффициент кинематической вязкости V, коэффициент температуропроводности а, коэффициент объемного расширения Р) находили по температуре окружающего воздуха 10. Относительная среднеквадратичная погрешность Ки и Яа не превышала соответственно 5,8 и 6,1 %.
Среднюю температуру поверхности стенки калориметра определяли как среднеарифметическое значение по показаниям установленных термопар. Распределение температуры стенки по высоте калориметра показано на рис. 1 для двух тепловых режимов: Wmln = 10,6 Вт и Wmax = 152,5 Вт. Отсюда следует, что температура по высоте различается на 5,5 % при минимальной нагрузке и не более 9,0 % при максимальной нагрузке. Различие
Рис. 1. Распределение температуры стенки по высоте калориметра для /о = 20 °С при различных значениях ^ 1 - 10,6 Вт; 2 - 152, 5 Вт
в температуре по высоте объясняется развитием пограничного слоя воздуха вдоль трубы.
На рис. 2 представлена теплоотдача одиночной вертикальной трубы и однорядных пучков из вертикальных труб для разных значений относительного шага ст = 1,043 ... 2,158. С возрастанием а от 1,043 до 1,259 проис-
ходит увеличение интенсивности теплоотдачи, но при больших значениях с теплоотдача однорядного пучка остается неизменной, равной теплоотдаче одиночной вертикальной трубы, что наглядно видно из зависимости на рис. 3, построенной для Яа = 2,5 • 108. Качественно подобная картина зависимости Ыи = До) имеет место и для других опытных значений Яа. Совпадение теплоотдачи вертикального ряда труб при а > 1,259 с теплоотдачей одиночной трубы объясняется отсутствием взаимного влияния пограничных слоев воздуха рядом расположенных труб.
Рис. 2. Теплоотдача вертикальных пучков (1 - 8) и одиночной трубы (9) в условиях полного моделирования и рассчитанная по уравнению (3) -10 (здесь и далее, на рис. 4, номер пучка совпадает с номером кривой)
№
Рис. 3. Влияние шага труб на д интенсивность теплоотдачи пучка: 1 - пучки с 1-го по 8-й; 2 - одиночная труба
7
1,00 125 1,50 1,75 2,00 О Результаты экспериментов с отклонением опытных данных на + 4 % аппроксимировали зависимостью вида
Ш = А Яа03, (3)
где А = 0,0220; 0,0248; 0,0275; 0,295; 0,295; 0,295; 0,295; 0,295 соответственно для пучков с а = 1,043; 1,097; 1,151; 1,259; 1,367; 1,547; 1,799; 2,158; для одиночной трубы А = 0, 295.
Обобщенное критериальное уравнение для естественной конвекции воздуха одиночного вертикального ряда оребренных труб в диапазоне изменения шага ст = 1,043 ... 1,259, полученное по данным рис. 4, имеет вид
N11 = 0,021а162 Яа03 (4)
_II II_____
0£ 0£ 0,7 0,8 0,9 2,0 3,0 4,0 Иа-Ш
Рис. 4. Обобщение опытных данных по теплоотдаче вертикальных пучков (1 - 4) (прямая получена по уравнению (4) )
Уравнение (4) действительно для интервала Ra = (0,55 ... 5,0)-10s. Теплоотдача пучков труб с а > 1,259 подчиняется уравнению (3) для одиночной трубы.
Таким образом, полученные закономерности могут быть использованы при проектировании теплового оборудования лесосушильных камер.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.
2. Кунтыш В.Б., Позднякова А.В., Самородов А.В. Исследование и сравнение интенсивности свободно-конвективной теплоотдачи коридорных и шахматных пучков из труб со спиральными ребрами в неограниченном объеме воздуха // Тр. XIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. Том 2. - М.: Изд-во МЭИ 2001. - С. 313-317.
3. Расчет, проектирование и реконструкция лесосушильных камер / Е.С. Богданов, В.И. Мелехов, В.Б. Кунтыш и др.; Под ред. Е.С. Богданова. - М.: Экология, 1993. - 352 с.
4. Самородов А.В., Рощин С.П., Кунтыш В.Б. Исследование лучистого теплообмена одиночной ребристой трубы с окружающей средой // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр. - Архангельск, 1997. - Вып. 2. - С. 102-113.
5. Справочник по сушке древесины/ Е.С. Богданов, В.А. Козлов, В.Б. Кунтыш, В.И. Мелехов; Под ред. Е.С. Богданова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 304 с.
Архангельский государственный технический университет
V.B. Kuntysh, A. V. Pozdnyakova, V.I. Melekhov
Heat Transfer by Natural Convection of Vertical Finned Tubes of Drying Kilns Calorifers
It is found out that the increase of the step of finned tubes from 58 to 70 mm is accompanied by the growth of heat transfer in 1.34 times that reaches values of heat transfer for single vertical tube and remains unchanged at high values of the tube step. The results of experiments are generalized by the criteria equations valid in the interval of the Reley number (0.55...5.0) ■ 108.
