Прогнозирование, разработка и исследование характеристик отопительных приборов с улучшенными технико-экономическими показателями

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

ГОРТЫШОВ ПАВЕЛ ЮРЬЕВИЧ

Казань 2010



Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники»

Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Научный руководитель: Гуреев Виктор Михайлович, канд. техн. наук, доцент

Официальные оппоненты: Щукин Андрей Викторович, докт. техн. наук, профессор Проккоев Виктор Васильевич, канд. физ.-мат.наук

Ведущее предприятие: Объединенный институт высоких температур РАН

Защита состоится 2010 г. на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул. К. Маркса, 10 (зал заседаний ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КГТУ им. А.Н. Туполева.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технического университета (www.kai.ru).

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, Кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время одним из самых дорогих энергетических ресурсов является тепловая энергия. Ее высокая стоимость вызвана, как проблемами ее производства (низкие КПД теплогенерирующих установок и рост цен на топливо), так и проблемами ее эффективной передачи и использования. Тепловая энергия от момента производства до пользователя несколько раз проходит преобразование в различных теплообменных аппаратах (ТА) и устройствах, коэффициенты тепловой эффективности которых часто не превышают 40-70%.

Европейский рынок теплообменников составлял в 2003 году 3 млрд долл. США. Рынок теплообменников в Республике Татарстан ориентируется в основном на производителей из других регионов России и компаний дальнего зарубежья. В республике производство теплообменных аппаратов различного назначения производится средними предприятиями в мелкосерийных масштабах. К примеру, кожухотрубные теплообменники для коммунальной энергетики и теплоэлектроэнергетики производят предприятия ОАО РПО «Таткоммунэнерго», ООО КФ «Камэнергоремонт», МУП ПО «Казэнерго», ООО «Камэнергоремонт-холдинг». Рынок пластинчатых теплообменников составляют в основном европейские теплообменники фирм «Аlfа-Laval», «АРV», «SWEP», «Funke», а также теплообменники производства ЗАО «Ридан» (г. Нижний Новгород), «Теплотекс» ГУП «Мостепло», ООО «Машимпекс» (г. Москва), ЗАО «Теплоэффект» (г. Ижевск) и др.

Основным видом теплообменных аппаратов в системах отопления являются отопительные радиаторы, на рынке которых существует сильная конкуренция. Поэтому при создании конкурентноспособных теплообменных аппаратов для систем водяного отопления необходимо использовать не только результаты экспериментальных исследований в области интенсифицированного теплообмена в отопительных приборах, но и самые современные средства проектирования, такие как: компьютерное моделирование, позволяющее достичь заявленных технико-экономических характеристик отопительных приборов с наименьшими затратами. Кажущаяся простая форма отопительных приборов является результатом значительного труда, как расчетного, так и экспериментального характера, в направлении повышения эффективности отопительных приборов.

Несмотря на большое количество работ в научно-технической литературе по теплообмену и гидродинамике в условиях вынужденной конвекции, имеется достаточно ограниченное количество информации по особенностям протекания процесса тепломассообмена вблизи вертикальных поверхностей в условиях свободной конвекции, соответствующей условиям работы вертикальных конвекторов. Поэтому представляют большой интерес, как численные, так и экспериментальные исследования по интенсификации теплообмена в вертикальных радиаторах, представляющие собой актуальную прикладную проблему.

Цель работы: улучшение характеристик отопительных приборов систем водяного отопления за счет интенсификации теплообмена вблизи вертикальных нагревательных поверхностей в условиях свободной конвекции с использованием результатов численных и экспериментальных исследований.

Задачи исследований:

Проанализировать имеющиеся способы повышения эффективности отопительных приборов, выявить из них наиболее перспективные для алюминиевых вертикальных радиаторов.

Разработать численные модели процессов тепломассообмена и аэродинамики вблизи вертикальных поверхностей отопительных приборов, провести численные исследования по повышению эффективности вертикальных радиаторов.

Разработать экспериментальный стенд для испытаний образцов отопительных приборов с интенсифицированным теплообменом и провести экспериментальные исследования процессов тепломассообмена в интенсифицированном отопительном приборе.

Разработать методику внедрения инновационного отопительного прибора в производство.

Научная новизна.

Научная новизна основных положений диссертации заключается в следующем: отопительный водяной теплообмен нагревательный

Разработаны численные модели процессов тепломассообмена и гидродинамики вблизи вертикальных поверхностей отопительных приборов систем отопления в условиях свободной конвекции в программном комплексе ANSYS CFX.

Изучено влияние сферических выемок и перфорации в виде отверстий с доворотом на интенсификацию теплообмена и гидравлическое сопротивление вертикальных алюминиевых радиаторов, выявлены количественные значения параметров интенсификации теплообмена.

По результатам анализа экспериментальных исследований выявлены значения величин интенсивности теплообмена и гидравлических сопротивлений в условиях свободной конвекции на вертикальных алюминиевых профилях.

Разработаны рекомендации на проектирование оптимизированных алюминиевых профилей отопительных приборов.

Практическая и научная значимость.

Разработанные численные модели процессов теплообмена и гидрогазодинамики в элементах отопительных приборов и созданная экспериментальная установка для тепловых и гидравлических испытаний отопительных приборов мощностью до 2 кВт и с температурой воды до t=95оC, позволили усовершенствовать конструкцию отопительных радиаторов и изготовить их опытные образцы из алюминия с интенсифицированным теплообменом.

Реализация результатов исследований:

Получен патент на разработанную конструкцию алюминиевого отопительного радиатора с интенсификацией теплообмена.

Разработанные рекомендации использованы при создании отопительных приборов в ООО НПФ «Энергия и Эффективность».

Разработана методика внедрения отопительных приборов в промышленное производство на основе инновационной модели, реализованная в ООО НПФ «Энергия и Эффективность».

Личный вклад автора в работу.

Автором разработана вычислительная модель процессов теплообмена и гидродинамики вблизи вертикальных поверхностей отопительных приборов. Спроектирована и создана экспериментальная установка для тепловых и гидравлических испытаний отопительных радиаторов. Разработана конструкция и изготовлены опытные образцы отопительных приборов. Проведены испытания и экспериментальные исследования, обработаны, обобщены и проанализированы полученные результаты, проведено внедрение разработки в производство.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы представлялись на международной научной конференции «Туполевские чтения». (Казань, 10-11 ноября 2005 г.), международной научнo-методической конференции «Инновационное образование в техническом университете», (Казань, 2004 г., стр 100-101), юбилейной международной научно-технической конференции «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности Росиии» (Казань, Казанский гос. энерг. ун-т, 2007).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в рекомендуемых ВАК журналах, 4 тезисов докладов, 1 статья в материалах конференции, получен 1 патент на полезную модель.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 180 листах машинописного текста. Она состоит из введения, четырех глав и списка литературы. В работе содержится 95 рисунков и 26 таблиц. Список использованной литературы включает 104 наименования работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы исследования, показана актуальность и практическая значимость проблемы, кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В первой главе описывается развитие отопительной техники и виды отопительных приборов, используемых в системах отопления; рассматриваются конкретные конструкции наиболее распространенных сегодня отопительных приборов из различных материалов. Приводится обширный справочный материал по технико-экономическим характеристикам отопительных приборов из чугуна, стали, алюминия и меди, проводится анализ особенностей рынка отопительных радиаторов; отмечено, что рынок алюминиевых радиаторов в России активно расширяется за счет замещения морально устаревших чугунных радиаторов и неэффективных стальных конвекторов, занимающих подавляющую часть рынка. Присутствие на Российском рынке зарубежных производителей приводит к существенному росту требований к отечественным разработкам и росту конкуренции. Отмечается, что российский рынок алюминиевых отопительных приборов контролируется иностранными производителями.

Показано значение интенсификации процессов тепломассообмена для современного и перспективного теплообменного оборудования. Представлен анализ результатов работ: В. Эленбааса, Т. Айхара, Дж. Чарддока, В.А. Сотченко, Б.П. Базелева, В.А. Семенюк, Леви, Эйчена, Синтони, Шоу, Старнера, В.П. Орнатского, Б.Е. Латенко, Ю.С. Папеля и д.р. Приведены основные зависимости для оценки эффективности теплообмена в теплообменных аппаратах из работ:

П.И. Ройзена, И.Н. Дулькина, Е.М. Сперроу, В.Г. Горобца, Р.С. Прасолева, М.В. Кирпичева, И.А. Антуфьева, Г.А. Дрейцера и др. Посредством интенсификации теплообмена возможно улучшить режим работы отопительных приборов, а так же снизить их массу.

Интенсификация теплообмена в целом значительно повышает технико-экономические характеристики отопительного оборудования. Так как одной из главных задач настоящего исследования была разработка опытного образца отопительного прибора и внедрение его в производство, то рассмотрены так же современные подходы к коммерциализации инновационных разработок. Описываются стадии развития инновационного проекта, как основы коммерциализации инновации с использованием теории логистических кривых, такие как «рождение», «развитие», «старость», «смерть» технической системы. Рассмотрены методы прогнозирования характеристик отопительных приборов и способы трансфера инновационных разработок.

Во второй главе проводится анализ параметров, влияющих на интенсивность теплопередачи в отопительных приборах с использованием уравнения теплового потока, записанного в виде (1.1) с учетом оребрения для высокотеплопроводных материалов.

(1.1)

В рассматриваемых условиях работы отопительных приборов, величины коэффициентов теплоотдачи б1 и площади теплообмена F1 внутри каналов, обычно заданы и варьированию не подлежат, а величина толщины стенки отопительного прибора д выбирается из условий прочности и необходимого ресурса работы отопительного прибора. Проведен численный анализ влияния коэффициента теплоотдачи воды б1 при фиксированных значениях теплоотдачи воздуха б2 = (1,5,10,15,20) Вт/м2K на величину коэффициента теплопередачи отопительных приборов из различных материалов (чугун, сталь, алюминий, медь). Толщина стенки отопительного прибора д принята равной 0.001 м.

Расчеты по уравнению (1.1) проведены для чугуна (л = 56 Вт/м2К), стали (л = 46 Вт/м2К), алюминия (л = 220 Вт/м2К), меди (л = 360 Вт/м2К). Результаты расчетов коэффициента теплопередачи для материала отопительного прибора из чугуна представлены на рис. 1. Характер зависимостей К=f(б1) для стали, алюминия и меди аналогичен зависимостям, полученным для чугуна. При расчетах принято, что площадь F2 = Fм + зр Fр увеличена оребрением в 6 раз.

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопередачи К чугунного радиатора от коэффициента теплоотдачи воды б1

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопередачи К чугунного радиатора от коэффициента теплоотдачи воздуха б2



Из анализа результатов расчетов хорошо видно, что коэффициент теплопередачи радиатора существенно меняется в сторону увеличения при изменении б1 от 100 до 500 Вт/м2K, далее значения коэффициента теплопередачи К практически постоянны. С ростом коэффициента теплоотдачи по воздуху масштаб влияния коэффициента теплоотдачи по воде б1 возрастает и при б2 = 1 Вт/м2K при изменении б1 от 100 до 500 Вт/м2K. К увеличивается на 0,01 Вт/м2K, а для б1 = 20 Вт/м2K на 2,5 Вт/м2K.

На рис. 2 представлена зависимость для коэффициента теплопередачи К отопительного прибора от коэффициента теплоотдачи по воздуху б2 при фиксированных значениях коэффициента теплоотдачи воды б1. До значения б2=5 Вт/м2K влияние коэффициента теплоотдачи воды на коэффициент теплопередачи практически не ощущается. При дальнейшем увеличении б2 влияние б1 становится существеннее. Аналогичные зависимости получены для наиболее распространенных материалов радиаторов.

Представлены результаты численных исследований для коэффициента теплопередачи K от толщины стенки нагревательного прибора д для фиксированного значения коэффициента теплоотдачи по воде б1, при изменении б2 = (1-20) Вт/м2K, которые представлены на рис. 3. Анализ результатов расчетов показывает, что коэффициент теплопередачи для отопительного прибора при достижении толщины стенки д более 8мм стабилизируется и практически перестает изменяться.

Величина коэффициента теплопередачи К существенно зависит от коэффициента теплоотдачи по воздуху, чем больше б2 тем более существенно падение коэффициента теплоотдачи. Для б2=5 Вт/м2K происходит снижение коэффициента теплопередачи от 25 Вт/м2K до 13 Вт/м2K (при толщине стенки 8 мм), а для б2.=20 Вт/м2K- от 72 Вт/м2K до 23 Вт/м2K.



Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопередачи К алюминиевого радиатора от толщины его стенки д

Далее (рис. 4) представлены результаты численного исследования зависимости коэффициента теплопередачи K от коэффициента теплопроводности материала отопительного прибора л для различных значений б2= (1,2,10,15,20) Вт/м2K. Из анализа результатов расчетов видно, что коэффициент теплопередачи отопительного прибора К существенно меняется в интервале коэффициентов теплопроводности л от 1 Вт/мK до 70 Вт/мK.

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопередачи радиатора от теплопроводности материала стенки л

Рассмотренные выше результаты расчетов имеют приближенный характер и позволяют проводить лишь качественный анализ.

Создание профилей отопительных радиаторов с оптимизированными теплотехническими, массогабаритными и экономическими характеристиками требует использования специализированных компьютерных систем: автоматизированного проектирования и численного анализа и тщательного тестирования компьютерных моделей по результатам стендовых испытаний. Так как возможности использования высокотеплопроводных материалов для интенсификации теплопередачи практически исчерпаны, то значительно больших результатов можно ожидать от увеличения наружной площади теплообмена F2 и оптимизации оребрения внешней поверхности радиатора.

Выбор наиболее рационального оребрения возможен лишь при детальном анализе влияния различных конструктивных схем на температурное состояние отопительного прибора. В главе представлено описание особенностей подготовки компьютерных моделей для тепловых расчетов методом конечно-элементного анализа, выбраны оптимальные элементы расчетной сетки. Приведены результаты численного анализа температурных полей и потерь давления по длине радиатора, выполненные с использованием программного комплекса ANSYS CFX в той конфигурации, которая реализует интерактивный режим работы, позволяя использовать интерактивную графику для проверки геометрии модели, заданных свойств и граничных условий перед началом расчета.

Решение задачи теплопроводности выполнено в граничных условиях 3го рода. Объемная модель радиатора построена в САПР SOLID WORKS, в качестве сеточного генератора использован программный комплекс ANSYS WORKBENCH. Расчет выполнен для семисекционного вертикального алюминиевого радиатора при следующих начальных условиях: температура воды tв=95 °С; скорость движения воды н=0,6 м/сек; коэффициент теплопередачи k=4,54 Вт/(м2К); температура окружающего воздуха tв=20 °С.

При постановки задачи оптимизации принято, что для разных профилей одинаковые значения имеют:

- материал профиля;

- температуры теплоносителей.

В результате проведенного численного анализа выявлено влияние количества секций радиатора на распределение температур (рис. 5) и скоростей (рис. 6) потока жидкости в каналах отопительного прибора и определено оптимальное количество секций в радиаторе. В разработанной модели отопительного прибора диаметр вертикальных каналов составлял 12 мм, в то время, как в стандартных радиаторах 16-24 мм, что оказывало существенное влияние на распределение скоростей потока внутри каналов отопительного прибора. В 7-й секции радиатора скорость теплоносителя по расчетам составила менее 0,1 м/с, тогда как на входе в коллектор скорость потока превышала 0.6 м/с.

Рис. 5. Поле значений температуры теплоносителя внутри каналов радиатора

Рис. 6. Поле значения скорости теплоносителя внутри каналов радиатора

После 6-й секции радиатора температура потока изменяется менее чем на 2 оС, т.е. практически остаётся постоянной. Большие гидравлические потери в радиаторе приводят к тому, что последняя секция практически не работает. Наступает ограничение по гидравлическим потерям, которые в данном случае являются определяющими. Очевидно при уменьшении диаметра внутренних каналов радиаторов их оптимальное число следует определять по гидравлическим потерям.

Далее представлены результаты численной оптимизации формы поперечного сечения профиля алюминиевого радиатора, с использованием программного комплекса ANSYS CFX, из условия съема с поверхности радиатора одинакового теплового потока при минимальной площади поперечного сечения профиля. Выполнение данного условия предполагает получение отопительного прибора с минимальными габаритами и массой при эквивалентном тепловом потоке. За исходный профиль при оптимизации отопительного прибора выбран алюминиевый профиль «Термал» (№1), с площадью поперечного сечения профиля - 632 мм2 и температурой на поверхности внутренней стенки радиатора - 43,6 °С. Результаты расчета температурного поля поперечного сечения исходного профиля представлены на рис. 7. Оптимизация осуществлялась путем выполнения вариантных расчетов и выявления положительных тенденций в изменении площади поперечного сечения профиля. При этом изменению подверглись размеры и количество ребер и, как следствие, площадь оребрения. Формировались в межреберном пространстве каналы, приводящие к созданию режима «самотяги» вдоль профиля. А также увеличивался внутренний диаметр канала в самом профиле.

Рис. 7. Температурное поле профиля алюминиевого радиатора № 1

Рис. 8. Температурное поле профиля алюминиевого радиатора № 3

Проанализировано более 11 различных вариантов поперечных сечений профилей радиаторов. Для иллюстрации существующих тенденций изменения конфигурации профиля от исходного к оптимальному приведены поперечные сечения еще двух профилей на рис. 8 и рис. 9. В результате выбран оптимальный профиль. На рис. 10 представлено температурное поле оптимального профиля со следующими параметрами: площадь поперечного сечения профиля - 596,77 мм2, температура на поверхности внутренней стенки - 43,6 °С.

Несмотря на то, что при оптимизации формы профиля тепловой поток должен был поддерживаться постоянным, его значение все-таки изменилось, но незначительно, всего лишь на 0,1% по сравнению с прототипом, а площадь поперечного сечения уменьшилась на 5,9%. Увеличение внутреннего диаметра канала в профиле привело к дальнейшему улучшению результатов оптимизации - площадь уменьшилась на 6,3%.

Рис. 9. Температурное поле профиля алюминиевого радиатора № 11 (оптимального)

Рис. 10. Температурное поле профиля алюминиевого радиатора № 7

По результатам оптимизационных расчетов различных профилей алюминиевых радиаторов найдено сечение профиля, которое обладает меньшей массой по сравнению с базовым. Форма обладает фрактальными свойствами, т.е. поверхность теплообмена растет быстрее, чем масса профиля. Поиск оптимальных параметров привел к тому, что полученный профиль по площади поперечного сечения меньше своего аналога на 20%, а по весу на 23%.

Предварительный анализ различных способов интенсификации теплообмена на вертикальных и горизонтальных поверхностях отопительных приборов при свободной конвекции, с учетом технологических возможностей разработчиков, позволил предложить несколько способов интенсификации теплообмена в радиаторах:

- нанесение перфорации в виде отверстий с доворотом;

- нанесение сферических выемок на вертикальные поверхности.

На рис. 11 и рис. 12 представлены трехмерные конечно-элементные модели вертикальных радиаторов с интенсификаторами в виде перфорации и сферических выемок, разработанные в ANSYS WORKBENCH.

Представлены результаты численных исследований интенсивности теплообмена радиаторов с различными формами интенсификатов на рис. 13 и рис. 14.

В численном эксперименте проводилось сравнение интенсивности теплообмена гладкого профиля с профилями с интенсификаторами.

Рис. 11. Конечно-элементная модель радиаторов с интенсификаторами в виде отверстий с доворотом в ANSYS Workbench



Рис. 12. Конечно-элементная модель радиатора с интенсификаторами в виде сферических выемок

Рис. 13. Значение коэффициента теплоотдачи радиатора с перфорацией к воздуху

Рис. 14. Значение коэффициента теплоотдачи радиатора со сферическими выемками к воздуху

Значение коэффициента теплоотдачи б2 для профиля с перфорацией возрастает от нижней части профиля в вертикальном направлении от 0,28 Вт/м2К до 4,1 Вт/м2К. Вблизи отверстий значение коэффициента теплоотдачи в верхней части профиля достигает 6,5 Вт/м2К. Скорость воздуха возрастает в вертикальном направлении от 0,015 м/с до 0,33 м/с. К локальному возрастанию интенсивности теплоотдачи приводят вихри возникающие за отверстиями.

Расчеты для профиля со сферическими выемками свидетельствуют, что значение температуры вдоль профиля возрастает от 293 К до 318 К, средняя температура нагреваемого воздуха составляет 306,6 К, а тепловой поток равен 3,4 Вт.

Интенсивность теплообмена на профиле со сферическими интенсификаторами по расчету на 8,3% выше, чем на гладкой поверхности. В результате численного анализа процессов интенсификации выявлено, что коэффициент теплоотдачи для радиатора с перфорацией составляет 4,1 Вт/м2К, а для сферических выемок 4,56 Вт/м2К.

В третьей главе представлена схема экспериментального стенда для исследования тепловых и гидравлических параметров нагревательных приборов для систем отопления. На рис.15 изображена принципиальная схема экспериментального стенда включающего в свой состав: 1, 5, 6, 9, 12, 14 - вентили, 2 - фильтр, 3 - расходомер, 4 - насос, 7, 15 - термопары, 8 - радиатор отопления, 10 - гидробак, 11 - нагревательный ТЭН, 13 - манометр.

Мощность подогревателя воды ЭПО 4 составляет 4 кВт.

Рис. 15. Принципиальная схема экспериментального стенда

Рис. 16. Внешний вид стенда для теплогидравлических испытаний отопительных радиаторов



Внешний вид стенда показан на рис. 16. Стенд позволяет испытывать радиаторы различной длины и конфигурации. Предусмотрено количественное и качественное регулирование параметров теплоносителя (расхода и температуры). При экспериментах также реализовывалось тепловизионное исследование температурного состояния пластин с интенсификаторами теплообмена.

Тепловизионное исследование проводилось на теплообменных элементах при косвенном электрообогреве поверхности и конвективном обогреве вертикальных поверхностей горячим воздухом. На рис. 18 показана теплообменная матрица с конвективным обогревом, представляющая собой две пластины с выштампованными выемками, приваренные друг к другу по торцам через прокладки и образующие плоские теплообменные элементы - плоские каналы, через которые протекает горячий воздух.

Рис. 17. Теплообменная матрица с конвективным обогревом

Рис. 18. Характерное изменение температуры на поверхности матрицы со сферическими выемками

Теплообменная матрица располагалась вертикально. Длина пластин составляла 190 мм, ширина - 90 мм. Расстояние между плоскими элементами (ширина вертикальных каналов для свободноконвективного течения воздуха) - 10 мм. Параметры выемок: диаметр - 10 мм, глубина - 3 мм, относительная глубина выемок - 0,3. Интенсификация теплоотдачи на поверхности со сферическими выемками возникает из-за постоянного обновления пограничного слоя за выемками и повышенной турбулентности потока над вновь образующимся пограничным слоем за выемками. Данный вывод хорошо подтвержден тепловизионными исследованиями. На рис. 18 представлены результаты тепловизионных съемок теплообменной матрицы, а именно профиль температур вдоль пластины со сфероидальными выемками со скругленными кромками.

Как видно из рис. 18 в выемках температура поверхности на 2-4 оС ниже, чем на поверхности между выемками. По распределению температуры можно утверждать, что от нижней границы пластины средняя температура поверхности остается практически неизменной, что объясняется постоянным обновлением пограничного слоя за выемками. Таким образом наблюдается интенсификация теплообмена при свободной конвекции в случае нанесения на поверхность выемок. Однако следует отметить, что при высоких температурах поверхности (75-90 оС) явление интенсификации практически не отмечалось. Последнее связано с тем, что в этом случае разница температур поверхности радиатора и воздуха была на уровне 55-70 оС, что обеспечивало турбулентное течение, соответственно увеличение затрат энергии на вихреобразование в выемке и уменьшение скорости около поверхности с выемками.

Для оценки целесообразности интенсификации теплоотдачи в реальных условиях были изготовлены три радиатора (гладкостенный, с системой выемок с перфорацией на ребрах).



Рис. 19. Распределение температур по лицевой поверхности радиатора:

а - по среднему горизонтальному сечению; б - по вертикали (профили температур построены вдоль белых линий, отсчет координаты от белой точки)

На рис. 19 представлены результаты тепловизионных съемок передней панели радиатора. Температура воды на входе в радиатор - 82-85 оС, температура воздуха в помещении - 15-21 оС. Тепловая мощность радиатора в опытах составила 140-160 Вт.

Из результатов измерений следует, что температура поверхности в нижней части радиатора минимальна и нарастает к верхней границе передней панели, что связано с ростом толщины пограничного слоя. По ширине панели (см. рисунок) температура практически постоянна, что свидетельствует о хорошем растекании горячей воды по отдельным секциям.

Изготовленные образцы радиаторов были испытаны на экспериментальном стенде для теплогидравлических испытаний отопительных приборов (рис. 15).

В ходе эксперимента измерялись температура и давление воды на входе и выходе из радиатора, а также расход воды в отопительном приборе. Кроме того измерялась температура окружающего воздуха. Температура воды изменялась в диапазоне от 40 до 90 оС. Тепловой поток вычислялся с использованием выражения , где - температурный напор оС; - температура на входе в радиатор, оС; - температура на выходе из радиатора, ; - температура воздуха внутри помещения, оС. При этом масса радиатора «Испытуемый» составила - 3,25 кг, а масса радиатора «Аналог» -4,25 кг.

Испытания проводились сначала для 3-х секционных радиаторов, результаты испытаний которых для температурного напора и теплового потока на 1 секцию прибора приведены в таблице 1, а также в графической форме на рис. 20.

Таблица 1 - Результаты тепловых испытаний 3-х секционных радиаторов

Испытуемый	Аналог
Температурный напор, °С	Тепловой поток на 1 секцию, Вт	Температурный напор, °С	Тепловой поток на 1 секцию, Вт
53,25	162,7	57,8	212,6
57,05	178,2	61,2	219,3
64,45	184,0	64,85	234,4
67,75	192,3	67,9	234,9
70,55	202,5	70,45	238,7
72,65	202,3	72,6	239,5

Рис. 20. Удельный тепловой поток с одной секции 3-х секционного радиатора

В таблице 2 приведены данные для тех же приборов по удельному тепловому потоку на единицу массы и температурному напору, в графической форме на рис. 21.

По результатам испытаний выявлено, что масса 3-х секционного радиатора «Испытуемый» меньше массы «Аналога» на 23,5%, при этом тепловой поток меньше всего на 15,1%. В итоге по удельным показателям удельный тепловой поток на 1 кг массы у радиатора «Испытуемый» на 9,8% больше. С увеличением количества секций в отопительном приборе удельные показатели нового радиатора «Испытуемый» вырастают и для семисекционного прибора составляют уже 13,2%.

Таблица 2 - Удельные тепловые нагрузки радиаторов

Испытуемый 3-х секционный	Аналог 3-х секционный
Температурный напор, °С	Удельный тепловой поток, Вт/кг	Температурный напор, °С	Удельный тепловой поток, Вт/кг
53,25	150,2	57,8	150,1
57,05	164,5	61,2	154,8
64,45	169,8	64,85	165,4
67,75	177,5	67,9	165,8
70,55	186,9	70,45	168,5
72,65	186,8	72,6.	169,1

Рис. 21. Удельный тепловой поток на единицу массы 3-х секционного радиатора

В четвертой главе представлена методика разработки конкурентно способного товара от инновационной идеи до создания реального изделия, показано, что жизненный цикл изделия подчиняется логистическим (s-образным) кривым. Построена s-образная характеристика по относительному тепловому потоку для отопительного прибора, представленная на рис. 22.

Результаты исследования рынка отопительных приборов по относительному тепловому потоку прибора = Q/M Вт/кг показывают, что для приборов из чугуна возрастает по мере совершенствования прибора в пределах от 0,02 до 0,025, для стальных от 0,045 до 0,07, а для алюминиевых от 0,09 до 0,13 Вт/кг.

Для интенсифицированных отопительных приборов = 0,15Вт/кг, что может представлять из себя начало новой s-образной кривой, позволяющей прогнозировать параметры отопительных приборов с интенсифицированным теплообменом.

Рис. 22. Образная характеристика по относительному тепловому потоку для отопительного прибора

Рассмотрена методика построения многоуровневой системы архитектур продуктов для систем отопления. Представлен алгоритм пошаговой реализации инновационного проекта на примере создания алюминиевого интенсифицированного радиатора. Алгоритм процесса выглядит следующим образом:

Выделяется результат научно-технический деятельности (РНТД), который является основой выполнения главной полезной функции инновационного товара.

Определяется потенциально достигаемый уровень потребительской характеристики на основе математической модели.

«Строится» конкурентоспособный товар на основе РНТД.

Проверяется возможность правовой защиты предлагаемых решений и предполагаемый объем прав на патенты.

Строится многоуровневая система архитектур продуктов, одним из которых является предлагаемая инновация.

Разрабатывается перспективная программа динамического согласования - рассогласования многоуровневой архитектуры продукта на различных уровнях.

Производится формирование инновационного проекта, как совокупности предлагаемых инноваций (бизнес план инновационного проекта).

Принимается решение о трансфере и коммерциализации инновации

По итогам разработки и испытаний интенсифицированных алюминиевых радиаторов организовано их опытно-промышленное производство.



ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе проведен анализ конкурентных решений отопительных приборов для систем отопления. Выполнена оценка рынка отопительных приборов. Проведен анализ методов интенсификации теплообмена в радиаторах, выбраны наиболее перспективные способы интенсификации теплообмена при свободной конвекции.

С помощью современных средств компьютерного моделирования определена оптимальная форма профиля вертикального радиатора с габаритами меньше своих аналогов на 20% и весовым показателям на 23%. Установлено влияние интенсификаторов (выемок и выступов) на эффективность работы радиаторов.

На базе экспериментального исследования характеристик интенсифицированного теплообменного аппарата для систем отопления на специально разработанном стенде, определены реальные параметры опытного образца отопительного прибора.

Разработано оригинальное конкурентное решение для отопительного прибора, получен патент на полезную модель и разработана методика продвижения инновационного изделия до потребителя на основе современной теории инновационной деятельности.



СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Работы, опубликованные в рекомендуемых ВАК журналах, патенты:

1. Гортышов П.Ю. Патент №86710 от 31.12.2008 «Секция радиатора для системы водяного отопления» / Гортышов Ю.Ф., Гуреев В.М., Губин С.Д., Медведев И.П.

2. Гортышов П.Ю. Интенсификация теплообмена в вертикальных алюминиевых радиаторах / Гуреев В.М., Гортышов П.Ю., Калимуллин Р.Р. // «Энергетика Татарстана», №1 2010 г., стр. 36-42

3. Гортышов П.Ю. Развитие научно-технической базы экспериментальных исследований теплогидравлических характеристик отопительных приборов / Гуреев В.М., Гортышов П.Ю., Калимуллин Р.Р. // «Вестник КГТУ им.А.Н. Туполева», №3 2010 г.

4. Гортышов П.Ю. Проблемы и перспективы развития венчурной капитализации и бизнеса технологических инноваций в Республике Татарстан / Габайдуллин М.Р., Саламашкин В.А., Гортышов П.Ю.// Журнал «Инновации», № 10, (67), 2003 г., стр. 25-26

5. Гортышов П.Ю. Состояние, проблемы и пути повышения эффективности инновационной деятельности университета (на примере КГТУ им А.Н. Туполева - КАИ) / Гортышов Ю.Ф., Тарасевич С.Э., Шигапов З.Г., Аскаров А.А., Васильев В.П., Гайфуллин Р.Н., Хабибуллин И.Ф., Кормильцева Д.И., Гортышов. П.Ю.// Журнал «Инновации», № 6, (83), 2005 г., стр. 68-71

Работы опубликованные в других изданиях и материалах конференций:

6. Гортышов П.Ю. Информационная система инновационной деятельности вуза «Конкурс» / Шигапов. З.Г., Гортышов П.Ю. // Тезисы доклада международной научной конференции «Туполевские чтения». Казань, 10-11 ноября 2005 г.

7. Гортышов П.Ю. Political, economic and technological fact ors influencing the development of business in Great Britain / S.J. Darskaja, O.G. Trofimovaм, Гортышов П.Ю. // Тезисы доклада международной научной конференции «Туполевские чтения». Казань, 10-11 ноября 2005г.

8. Гортышов П.Ю. Система инженерного инновационного образования: проектный менеджмент сетевой производственной кооперации / Габайдуллин М.Р., Липатов Т.Н., Гортышов П.Ю. // Тезисы доклада международной научнo-методической конференции «Инновационное образование в техническом университете», Казань, 2004 г., стр. 100-101.

9. Гортышов П.Ю. Система инженерного инновационного образования: проектный менеджмент сетевой производственной кооперации в области организации инновационного бизнеса вторичного энергоресурсопотребления / Габайдуллин М.Р., Гуреев В.М., Гортышов П.Ю. // Тезисы доклада международной научнo-методической конференции «Инновационное образование в техническом университете», Казань, 2004 г., стр. 100-101.

10. Гортышов П.Ю. Влияние материала отопительных приборов на их технико-экономические характеристики / Гуреев В.М., Шигапов З.Г., Гортышов П.Ю. // Пленарные доклады, материалы юбилейной международной научно-технической конференции «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности Росиии» Казань, Казанский гос. энерг. ун-т, 2007, стр. 46-48.

Размещено на Allbest.ru

...