ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE EFFECTIVENESS OF NATURAL CONVECTION PROCESSES IN A VERTICAL LIQUID

Chernyshov Egor Alekseevich

Student, Department of Agroengineering, Mechatronic and Radioelectronic Systems, I.A. Bunin Yelets State University,

Russia, Yelets

Sidorov Alexandr Valentinovich

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Physics and Mathematics, associate professor, I.A. Bunin Yelets State University,

Russia, Yelets

АННОТАЦИЯ

В работе представлено экспериментальное исследование влияния естественной конвекции на теплопередачу и стационарное температурное поле дистиллированной воды в U-образной трубке при подогреве снизу. С помощью инфракрасной тепловизионной камеры установлено, что основной перепад температуры локализован в зоне нагрева на нижнем изгибе, тогда как вдоль вертикальных колен температура практически постоянна. Результаты показывают высокую эффективность естественной конвекции, обеспечивающей интенсивный перенос тепла и выравнивание температурного поля без внешних энергозатрат.

ABSTRACT

The paper presents an experimental study of the effect of natural convection on heat transfer and the stationary temperature field of distilled water in a U-shaped tube when heated from below. Using an infrared thermal imaging camera, it was found that the main temperature drop is localized in the heating zone at the lower bend, while along the vertical knees the temperature is almost constant. The results show the high efficiency of natural convection, which provides intensive heat transfer and equalization of the temperature field without external energy consumption.

Ключевые слова: естественная конвекция, U-образная трубка, теплопередача, термоэлектрокинетический эффект.

Keywords: natural convection, U-tube, heat transfer, thermoelectrokinetic effect.

В нашей работе проводится исследование влияния процессов естественной конвекции на эффективность процессов теплопередачи и итоговое тепловое поле жидкости, находящейся в U-образной трубке при ее подогреве снизу. Исследование естественной конвекции, имеющей место в таких условиях, является важной задачей для современной энергетики и теплотехники, поскольку такие конфигурации лежат в основе пассивных систем безопасности и энергоэффективных теплообменников [1].

В возобновляемой энергетике такие процессы определяют эффективность вакуумных трубчатых солнечных коллекторов с U-образными теплообменниками и термосифонных петель, где, нагрев снизу создаёт движущую силу циркуляции теплоносителя без затрат электроэнергии. Понимание механизмов конвекции позволяет повысить КПД солнечных установок на 10–15% за счёт оптимизации геометрии и режимов работы [2]. Кроме того, эти данные востребованы в системах утилизации бросового тепла и геотермальных U-образных скважинных теплообменниках, где в периоды простоя теплопередача осуществляется исключительно естественной конвекцией, влияя на долгосрочную эффективность систем. Исследования в этой области способствуют созданию надёжных, энергонезависимых и экономичных теплотехнических решений для низкоуглеродной энергетики будущего [3].

Также как показывают исследования [4], процессы естественной конвекции могут оказывать существенное влияние на протекание нового класса явлений переноса при участии трех термодинамических сил, который был назван термоэлектрокинетическим эффектом.

В работе проводится экспериментальное исследование распределения теплового поля в дистиллированной воде, находящейся в U-образной трубке, при ее подогреве снизу. Для этого используется электрический нагреватель, намотанный на нижний изгиб трубки, подключаемый к источнику постоянного напряжения. Спустя некоторое время, которое определяется опытным путем на основе экспериментов, в жидкости устанавливается стационарное распределение температуры, вследствие установления равновесия между процессами, обусловленными нагревом и рассеянием тепла в окружающую среду через поверхность трубки [5 учебник]. После установления стационарного состояния распределение температурного поля снимается с помощью тепловизионной инфракрасной камеры Extech i5. Далее снимок обрабатывался в специализированной программе с целью определения цифровых значений температуры в реперных точках. Для примера на рис. 1 показано типичное распределение стационарного температурного поля воды в указанных выше условиях в стационарном режиме, при фиксированном значении мощности электрического нагревателя.

Как видно из рисунка область максимальной температуры находится в области электрического нагревателя, где температура достигает около 46 °С. При этом основной перепад температуры приходится на нижний изгиб трубки, на который приходится падение температуры почти на 15 °С. С этим перепадом температуры очевидно будет связан значительный градиент температуры и в этой области должно быть локализовано довольно сильное движение жидкой среды, обусловленное естественной конвекцией [5].

В области вертикальных колен трубок характерным является то, что температура практически не меняется по длине.

Рисунок 1. Распределение температуры в стационарном состоянии в дистиллированной воде, при ее подогреве снизу и наличии естественной конвекции

Фактический перепад температуры в этих областях составляет около 0.5 °С. Таким образом при подогреве жидкости, находящейся в U-образной трубке снизу за счет процессов естественной конвекции, происходит эффективный процесс теплопередачи, вследствие которого по всей вертикальной длине трубок устанавливается практически постоянная температура и градиент температуры имеет малое значение. Данный результат необходимо учесть при оптимизации термоэлектрикинетического эффекта, который исследуется в подобной геометрии в водных растворах электролитов и в коллоидных растворах [4].

Список литературы:

1. Jeon S.-S., Hong S.-J., Cho H.-K., Park G.-C. Heat transfer analysis of horizontal U-shaped heat exchanger submerged in a pool using MARS code // NURETH-16: Proceedings of the 16th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics. (Chicago, IL, Aug. 30-Sept. 4, 2015.). – Chicago, 2015. - P. 5020-5033.
2. Chen J., Li X., Wang Y. Numerical investigation of heat transfer characteristics of a U-shaped tube heat exchanger under natural circulation conditions // Case Studies in Thermal Engineering. 2024. Vol. 55. Art. 104020.
3. Wang R., Shi M., Zhu K. Research on the heat transfer model of double U-pipe ground heat exchanger based on in-situ testing // Frontiers in Energy Research. 2024. Vol. 12. Art. 1442185.
4. Грабов В. М. Термоэлектрокинетические и термоэлектромагнитные явления в сильнонеравновесных условиях // Известия РГПУ им. А. И. Герцена: Научный журнал: Естественные и точные науки. – 2006. – 6(15). –  с. 76-85.
5. Джалурия Й. Естественная конвекция: тепло- и массообмен: пер. с англ. / Й. Джалурия. – М.: Мир, 1983. – 400 с.