Численное исследование процессов теплообмена в каналах малогабаритных панельно-лучистых систем обогрева помещений

Аннотация

Представлены результаты численного 3D-моделирования свободно-конвективных процессов теплообмена в каналах одного из основных вариантов панельно-лучистой системы обогрева помещений. Выявлены особенности гидродинамики и теплообмена в вертикальных каналах прямоугольного сечения с наличием горизонтально расположенных труб и поперечно установленных на них ребер, при различных условиях теплоотдачи на ограничивающих каналы поверхностях адиабатной стенки и радиационного экрана. Определены пространственные распределения температуры и скорости воздушного потока в системе для двух возможных режимов теплоотдачи. Режимы реализуются в различных диапазонах изменения модифицированного числа Рэлея. Предложены критериальные зависимости чисел Рейнольдса и Нуссельта от числа Рэлея и основных конструктивных параметров системы. Получена формула для расчета мощности удельного (на единицу длины) теплосъема с греющих поверхностей внутренних элементов всей плинтусной системы. Доказано, что удельная мощность теплосъема принимает максимальное значение при определенном значении межреберного зазора, при котором имеет место переходный режим теплообмена. Установлены соотношения между мощностями конвективных и радиационных тепловых потоков, генерируемых в рассмотренной теплообменной системе. Сравнение расчетных и существующих экспериментальных данных по мощности удельного теплосъема указывает на их удовлетворительное совпадение

Работа частично выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (проект № FSFN-2024-0022)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Гришин Ю.М., Хандрамай Н.А. Численное исследование процессов теплообмена в каналах малогабаритных панельно-лучистых систем обогрева помещений. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, №1 (118), с. 100--118. EDN: DVSTPB

Литература

[1] Ploskic A., Holmberg S. Heat emission from thermal skirting boards. Build. Environ., 2010, vol. 45, iss. 5, pp. 1123--1133. DOI: https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2009.10.016

[2] Elenbaas W. Heat dissipation of parallel plates by free convection. Physica, 1942, vol. 9, iss. 1, pp. 1--28. DOI: https://doi.org/10.1016/S0031-8914(42)90053-3

[3] Bar-Cohen A., Rohsenow W.M. Thermally optimum spacing of vertical, natural convection cooled, parallel plates. J. Heat Transfer, 1984, vol. 106, iss. 1, pp. 116--123. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3246622

[4] Anand N.K., Kim S.H., Fletcher L.S. The effect of plate spacing on free convection between heated parallel plates. J. Heat Transfer, 1992, vol. 114, iss. 2, pp. 515--518. DOI: https://doi.org/10.1115/1.2911306

[5] Wang X., Pepper D.W. Numerical simulation for natural convection in vertical channels. Int. J. Heat Mass Transf., 2009, vol. 52, iss. 17-18, pp. 4095--4102. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.03.045

[6] Попов И.А. Гидродинамика и теплообмен внешних и внутренних свободноконвективных вертикальных течений с интенсификацией. Казань, Центр инновационных технологий, 2007.

[7] Суханов К.О. Определение условий применения систем водяного плинтусного отопления в жилых помещениях. Инновации и инвестиции, 2021, № 8, с. 167--170. EDN: CMXRRL

[8] Shobi M.O., Salarian H., Nichkoohi A.L., et al. Experimental and numerical investigations of a modified designed baseboard radiator using an air gap enhancing free convection heat transfer. J. Build. Eng., 2020, vol. 32, art. 101535. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101535

[9] Gheibi A., Rahmati A. An experimental and numerical investigation on thermal performance of a new modified baseboard radiator. Appl. Therm. Eng., 2019, vol. 163, art. 114324. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114324

[10] Bagheri N., Moosavi A., Shafii M.B. Thermal enhancement of baseboard heaters using novel fin-tube arrays: experiment and simulation. Int. J. Therm. Sci., 2020, vol. 151, art. 106285. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106285

[11] Терехов В.И., Экаид А.Л. Ламинарная свободная конвекция между вертикальными параллельными пластинами с различными температурами. Теплофизика и аэромеханика, 2012, № 4, с. 415--429. EDN: PAKGPN

[12] Kuzenov V.V., Ryzhkov S.V. Approximate method for calculating convective heat flux on the surface of bodies of simple geometric shapes. J. Phys.: Conf. Ser., 2017, vol. 815, art. 012024. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/815/1/012024

[13] Aydin M. Dependence of the natural convection over a vertical flat plate in the presence of the ribs. Int. Commun. Heat Mass Transf., 1997, vol. 24, iss. 4, pp. 521--531. DOI: https://doi.org/10.1016/S0735-1933(97)00037-7

[14] Tanda G., Devia F. Application of a schlieren technique to heat transfer measurements in free-convection. Exp. Fluids, 1998, vol. 24, pp. 285--290. DOI: https://doi.org/10.1007/s003480050175

[15] Tanda G. Natural convective heat transfer in vertical channels with low-thermal-conductivity ribs. Int. J. Heat Fluid Flow, 2008, vol. 29, iss. 5, pp. 1319--1325. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2008.05.004

[16] Tanda G. Natural convection heat transfer in vertical channels with and without transverse square ribs. Int. J. Heat Mass Transf., 1997, vol. 40, iss. 9, pp. 2173--2185. DOI: https://doi.org/10.1016/s0017-9310(96)00246-3

[17] Taowang, Zeliangyang, Guangchangfeng. Experimental study on heat transfer enhancement in the vertical nature convection by using delta-winglet longitudinal vortex generators. Heat Transf. Asian Res., 2006, vol. 35, iss. 6, pp. 402--409. DOI: https://doi.org/10.1002/htj.20126

[18] Yazicioglu B., Yuncu H. Optimum fin spacing of rectangular fins on a vertical base in free convection heat transfer. Heat Mass Transf., 2007, vol. 44, no. 1, pp. 11--21. DOI: https://doi.org/10.1007/s00231-006-0207-6

[19] Sparrow E.M., Pfeil D.M. Enhancement of natural convection heat transfer from a horizontal cylinder due to vertical shrouding surfaces. J. Heat Transfer, 1984, vol. 106, iss. 1, pp. 124--130. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3246623

[20] Cesini G., Paroncini M., Cortella G., et al. Natural convection from a horizontal cylinder in a rectangular cavity. Int. J. Heat Mass Transf., 1999, vol. 42, iss. 10, pp. 1801--1811. DOI: https://doi.org/10.1016/S0017-9310(98)00266-X

[21] Clifford C.E., Kimber M.L. Optimizing laminar natural convection for a heat generating cylinder in a channel. J. Heat Transfer, 2014, vol. 136, iss. 11, art. 112502. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4028492

[22] Суханов К.О., Гримитлин А.М., Шкаровский А.Л. Микроклимат жилых помещений с плинтусной системой водяного отопления и подачей приточного воздуха через регулируемые оконные створки. Вестник гражданских инженеров, 2017, № 5, с. 111--115. DOI: https://doi.org/10.23968/1999-5571-2017-14-5-111-115

[23] Sukhanov K.O. Virtual testing of hot-water skirting convectors. Innovatsii i investitsii [Innovation & Investment], 2021, no. 7, pp. 143--146 (in Russ.). EDN: IRXLMY

[24] Grishin Yu.M., Khandramay N.A. Thermal optimization of the skirting board heating system parameters at the free convection heat exchange. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii [Engineering Journal: Science and Innovation], 2024, no. 8 (in Russ.). EDN: KDHKOO

[25] Incropera F.P., Dewitt D.P., Bergman T.L., et al. Fundamentals of heat and mass transfer. Wiley, 2007.