Введение. Территория Российской Федерации является самой большой в мире и составляет 17125191 км2 [1]. Теплоэнергетический комплекс нашей страны производит 70 % всей тепловой энергии (боле 32 тыс. котельных) [2]. Традиционно наибольшее распространение получило централизованное теплоснабжение. Это связано с его очевидными преимуществами: низкий уровень эксплуатационных затрат, наличие возможности использования менее качественного топлива. Кроме того, особенно значимыми преимуществами выступают низкая степень загрязнения воздушного бассейна (полное или частичное отсутствие выбросов) и высокая степень поддержания санитарно-гигиенической обстановки в крупных городах [3].
Наряду с централизованным теплоснабжением, в последние десятилетия набирают обороты децентрализованные системы. Это связано с коттеджным строительством и ростом агломераций вокруг крупных городов. Так за последние 20 лет, спрос на оборудование для проектирования децентрализованных системы вырос на 65 % [4].
Материалы и методы. Основным оборудованием, применяемым в теплоснабжении, являются кожухотрубные и пластинчатые теплообменные аппараты. Это обусловлено их явной экономической эффективностью, выражающейся в экономии энергии на подогрев теплоносителя (жидкость, газ) [5].
В настоящее время выросли продажи пластинчатых теплообменных аппаратов, которые пришли на смену кожухотрубным, имеющих большие габаритные размеры и, главное, низкий коэффициент теплопередачи [6]. Внешний вид кожухотрубного и пластинчатого теплообменных аппаратов представлен на рис. 1.
В настоящее время в Российской Федерации и развитых странах ЕС, США, Канада, Китай ведутся активные работы по повышению эффективности работы теплообменного оборудования [7–11].
В различных отраслях промышленности активно применяется тепловизионный метод дистанционного определения температуры, который позволяет обнаружить излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. На основе этого излучения создается объемное изображение, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Основой работы тепловизионного прибора является определение температуры в одной точке температурного поля [12]
Известно, что температурным полем называется совокупность значений температуры в данный момент времени во всех точках изучаемого пространства [13].
В общем случае уравнение температурного поля имеет вид:
t=F(x, y, z, τ), (1)
где t – температура среды, ℃; x,y,z – координаты точки среды; τ – время, с.
Температурное поле, изменяющееся во времени, называется нестационарным и описывается зависимостью [14]:
t = F(x , y , z) ; ∂t/∂τ = 0. (2)
Одним из способов повышения эффективности работы пластинчатых теплообменных аппаратов является использование гофрированных пластин со сферическими углублениями.
Для исследования температурного поля нами был использован тепловизионный прибор (ТВП) Flir i50 [15]. Схема тепловизора представлена на рис. 2.
Рис. 2. Устройство тепловизора:
1– линза; 2 – инфракрасный сенсор; 3 – процессор; 4 – память; 5 – экран
Принцип работы тепловизора основан на приеме инфракрасного излучения (7,5–13 мкм), исходящего от любого нагретого объекта, имеющего температуру от -20 до 350 °С. Излучение улавливается оптической системой прибора, которая состоит из системы линз 1 и сенсора с фотоэлементами 2, после чего фокусируется на приемнике, в качестве которого выступает процессор 3, конвертирующим визуальный аналоговый сигнал в электрический. Как правило, он выражается в виде изменения напряжения или сопротивления в цепи приемника. Инфракрасный снимок сохраняется в долговременную память 4 и выдоится на экран 5 с частотой кадров 9 Гц [16].
Теплоотдача пластин с гофрированной поверхностью к настоящему времени исследована недостаточно.
Основная часть. Для сравнения двух нагретых пластин, обтекаемых потоком жидкости, воспользуемся методом парного сравнения. Данный способ является одним из инструментов оценки и выбора решений, широко используется в экспертных оценках при необходимости расставлять приоритеты в процессе какой-либо деятельности или ранжирования различных объектов. Идея метода состоит в том, что попарно сравниваются каждые два объекта и определяется первенство одного из них [17].
Первым объектом исследования является гофрированная пластина со сферическими углублениями, располагающимися по линейному закону. В качестве второго объекта используется стандартная гофрированная пластина. Обе пластины имеют одинаковые геометрические размеры 300×140×3 мм и V-образную форму гофр. Диаметр сферических углублений 0,6 мм. Температура пластин определялась рабочими условиями температуры теплоносителя.
Результаты экспериментов представлены на рис. 3.
Рис. 3. Термограммы гофрированных пластин:
1 – гофрированная пластина со сферическими углублениями, располагающимися по линейному закону;
2 – стандартная гофрированная пластина
В результате исследования можно сделать вывод, что модифицированная гофрированная пластина со сферическими углублениями, располагающимися по линейному закону, обладает большим спектром инфракрасного излучения (высокой температурой). Особенно наглядно это видно на рисунке 4, где отчетливо видно влияние углублений на распределение температуры.
Рис. 4. Увеличенное изображение поверхности пластин
Из термограмм видно, что основной нагрев происходит в площадках, располагающихся между гофрами. Это еще раз подтверждает верность выбранного способа интенсификации теплообмена в пластинчатом теплообменном аппарате. Более высокое значение температуры обусловлено наличием сферических углублений, располагающихся по линейному закону на расстоянии 6-12r, где r – радиус сферического углубления, м. Согласно фундаментальным исследованиям Жукаускаса [18], именно такое расстояние способствует формированию непрерывного турбулентного следа. В основу выбора данного метода интенсификации легли исследования сотрудников БГТУ им. В.Г. Шухова [19–21].
При использовании тепловизионного метода определяется локальная температура в точке для получения средней температуры нагретого тела, которая используются при расчете коэффициента теплоотдачи α, Вт/(м2 °С).
В качестве начальных условий использовались:
- температура потока жидкости омываемой пластины была постоянной и равной 80 °С;
- продолжительность эксперимента 30 мин.
Расчет осуществлялся по известной методике, рассмотренной в [22]. Согласно [23] связь истинной температуры нагретого тела с яркостной температурой абсолютно черного тела выражается следующим образом:
(3)
где ТЯ – яркостная температура абсолютно черного тела, °С; Т* – характеристическая температура, зависящая от длины волны светофильтра, °С; КЯ – коэффициент яркости.
Температура сферических углублений определялась по формуле:
(4)
где D – отношение квадрата расстояния до тепловизора к квадрату радиуса углубления.
Таким образом, была определена средняя температура гофрированной поверхности с углублениями и без углублений. Результаты исследования представлены на рис. 5.
Рис. 5. График зависимости времени нагрева от температуры пластин:
1 – гофрированная пластина со сферическими углублениями, располагающимися по линейному закону;
2 – гофрированная пластина
Из графика видно, что гофрированная пластина со сферическими углублениями, располагающимися по линейному закону, нагревается быстрее, что способствует повышению эффективности теплообменного оборудования и, в конечном итоге, способствует увеличению коэффициента теплопередачи К, Вт/(м2·°С).
Расчетная формула для определения коэффициента теплопередачи К, Вт/(м2·°С) на основании «Правил технической эксплуатации тепловых энергоустановок», СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов» имеет вид:
(5)
где b – коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине, в зависимости от качества воды принимается равным 0,7 – 0,85; 
- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·°С); 
- коэффициент тепловосприятия, Вт/(м2·°С); 
– толщина стенки пластины, м; 
– коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м2·°С).
Необходимо отметить, что в ламинарном подслое перенос теплоты от жидкости к пластине (и наоборот) характеризуется теплопроводностью. Соответственно, чем толще ламинарный подслой, тем меньше теплоты передается через него основному потоку. Отсюда можно сделать вывод, что уменьшение толщины ламинарного подслоя жидкости у стенки способствует повышению коэффициента теплоотдачи, который определяется по формуле:
(6)
где 
– коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м2·°С); Nu – число Нуссельта; l – определяющий геометрический параметр поверхности (для пластины – длина, м).
Число Нуссельта Nu является единственным критерием подобия, при нахождении которого используется значение средней температуры, определенное практическим способом с помощью тепловизора FLIR i50.
Таким образом, применение тепловизионного метода является оригинальным способом в исследовании теплообменных процессов, позволяющим показать реальное увеличение коэффициента теплопередачи пластинчатого теплообменного аппарата.
Выводы.
- Рассмотренный метод интенсификации теплообменных процессов – нанесение сферических углублений по линейному закону, приводит к увеличению турбулизации теплоносителя.
- Экспериментально установлено, что сферические углубления, диаметром 0,6 мм, приводят к возникновению вихревой зоны, способствующей более эффективному перемешиванию теплоносителя.
- Проведенное сравнение двух пластин для теплообменного аппарата подтверждает преимущество использования гофрированных пластин со сферическими углублениями.
- Высокое значение коэффициента теплопередачи приведет к снижению стоимости теплообменного оборудования, уменьшению габаритных размеров (металлоемкости).
