Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples
Profiling of the surface of sprinklers of film-type cooling towers in the form of dimples leads to a significant increase in heat transfer between the liquid and surrounding air as compared with a smooth surface. The shape of dimples on the surface of the flow affects the degree of flow turbulizatio...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2016
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/93 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |
|
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871103170282782720 |
|---|---|
| author | Dubrovskyi V.V. |
| author_facet | Dubrovskyi V.V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Dubrovskyi V.V.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Dubrovskyi V.V. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:31Z |
| description | Profiling of the surface of sprinklers of film-type cooling towers in the form of dimples leads to a significant increase in heat transfer between the liquid and surrounding air as compared with a smooth surface. The shape of dimples on the surface of the flow affects the degree of flow turbulization and heat transfer intensification. The search for the geometric shapes of dimples on the sprinklers surface leading to an increase in the efficiency of the operation of cooling towers is a topical technical problem.The aim of this work is to investigate experimentally the influence of dimples shape on the surface of sprinklers on the heat transfer from flowing water film to ambient air and determine the best profiled surface of sprinklers.Our experiments were carried out with dimples of spherical, cylindrical, rhombic, and square shapes on the surfaces of sprinklers. These investigations were performed on different modes of interaction between the water and air phases under conditions of cross flow of water film by air of different velocity as well as under conditions of quiescent air environment.We have obtained empirical dependencies that allow one to calculate the coefficients of heat transfer on the surfaces with spherical, cylindrical, rhombic, and square dimples. We have established that, from the view point of heat transfer, surfaces with spherical dimples are the best, and we recommend them for the implementation at film-type cooling towers. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2016.01.041 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:00:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
41ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Як відомо, профілювання поверхні, по якій
стікає плівка води, наприклад, у вигляді сфе-
ричних лунок, призводить до суттєвого підви-
щення теплообміну між рідиною та оточуючим
повітрям у порівнянні з гладкою поверхнею
[1–3]. Від форми поглиблень на поверхні течії
залежить той чи інший ефект тепловіддачі. У
роботах [4, 5] розглядаються теплообмін та гід-
родинаміка на поверхнях з циліндричними,
сферичними, квадратними та іншими форма-
ми поглиблень. Відзначається глибока спіль-
ність фізичної природи механізму інтенсифіка-
ції теплообміну для усіх видів інтенсифікато-
рів, принцип дії яких зводиться до організації
обтікання потоком малої перешкоди (інтенси-
фікатора) на стінці каналу і турбулізації течії. В
роботі [5] навіть відзначається, що для техніч-
ного застосування у випадку теплообміну твер-
дої поверхні з несучим середовищем, цилінд-
ричні поглиблення мають перевагу над сферич-
ними.
Окрім досліджених раніше закономірностей
тепловіддачі від води до оточуючого повітря
при її течії по профільованій поверхні зі сфе-
ричними лунками, з метою визначення най-
кращої профільованої поверхні постала задача
вивчити такий теплообмін при течії рідини по
поверхнях іншої форми, зокрема, циліндрич-
ної, ромбоподібної та квадратної.
Проведення дослідів. На рис. 1 показано
поглиблення чотирьох форм, що досліджува-
лись та порівнювались між собою. В табл. 1
наведено їх геометричні характеристики.
Однаковий діаметр сферичного та циліндрич-
ного поглиблення D = 16 мм, а також однакову
глибину h = 5 мм усіх поглиблень, які викори-
стовувались в дослідах, було вибрано за резуль-
татами проведених раніше експериментів зі
сферичними лунками, що давали найкращу
тепловіддачу від води до повітря. Площа у
плані усіх дослідних форм поглиблень була
однаковою.
Для проведення експериментів було виго-
товлено нові дослідні лотки-зрошувачі довжи-
ною L = 600 мм і шириною l = 100 мм з оцинко-
ваної сталі, які показано на рис. 2.
Поглиблення трьох нових форм виготовлялись
за допомогою спеціально розробленої техноло-
гічної оснастки. На лотках поглиблення усіх
форм розташовувались у шаховому порядку із
відстанню між їх центрами 32 мм.© В.В. ДУБРОВСЬКИЙ, 2016
УДК 536.24 В.В. ДУБРОВСЬКИЙ, канд. техн. наук, ст. наук. співр.
Інститут загальної енергетики НАН України,
вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03680, Україна
ТЕПЛООБМІН МІЖ РІДИНОЮ ТА ПОВІТРЯМ НА ПОВЕРХНЯХ З РІЗНОЮ
ФОРМОЮ ПОГЛИБЛЕНЬ
Експериментально досліджено вплив форми поглиблень на поверхні зрошувача на теп-
ловіддачу від стікаючої плівки води до оточуючого повітря. Розглянуто поверхні з чотир-
ма формами поглиблень: сферичною, циліндричною, ромбоподібною та квадратною.
Встановлено, що найкращі з точки зору тепловіддачі є поверхні з поглибленнями у виг-
ляді сферичних лунок і вони можуть бути рекомендовані для впровадження на плівкових
градирнях. Отримано емпіричні залежності, що дозволяють обчислити коефіцієнти теп-
ловіддачі на поверхнях з циліндричними, ромбоподібними та квадратними поглиблення-
ми.
К л ю ч о в і с л о в а: плівкова градирня, форма поглиблень на поверхні зрошувача, теп-
ловіддача, ступінь охолодження.
Лотки встановлювались на експерименталь-
ному стенді під кутом 30 град до горизонту.
Плівку стікаючої води обдувало повітря у
поперечному до руху течії рідини напрямку.
Методика проведення дослідів з визначенням
ступеня охолодження рідини та коефіцієнта
42 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
В.В. ДУБРОВСЬКИЙ
Рис. 1. Сферичне (1), циліндричне (2), квадратне (3) та ромбоподібне (4) поглиблення
на поверхні зрошувача
1 2 3 4
Таблиця 1 – Геометричні характеристики поглиблень різних форм
Рис. 2. Дослідні лотки з чотирма формами поглиблень: 1 – сферичними, 2 – циліндричними,
3 – ромбоподібними, 4 – квадратними
тепловіддачі залишалась незмінною [2].
Досліди проводились в діапазоні витрат
рідини G від 0,025 до 0,08 кг/с. При цьому вико-
нувались вимоги щодо величин густини зрошу-
вання G/l, при яких за результатами виконаних
раніше експериментів зі сферичними лунками
ефективність тепловіддачі найбільша.
Нагадаємо, що густина зрошування зумовлює
43ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Теплообмін між рідиною та повітрям на поверхнях з різною формою поглиблень
Рис. 4. Особливості течії рідини у сферичному (а) і циліндричному (б) поглибленнях, φ = 30 град
Рис. 3. Течія рідини на поверхнях зі сферичними (а) та циліндричними (б) поглибленнями
товщину плівки, що тече по поверхні зрошувача
і суттєво впливає на теплообмін з повітрям.
Швидкість Va повітряного потоку, що обдуває
плівку, у дослідах змінювалась від 0 для нерухо-
мого повітря до 4,3 м/с. Результати експери-
ментів порівнювались із добре вивченими нами
раніше поверхнями зі сферичними лунками.
Візуальні спостереження потоків води по
дослідних лотках з різною формою поглиблень
показали, що якісна картина течії та її гідроди-
наміка відрізняється. На рис. 3, як приклад,
проілюстровано структуру потоків на про-
фільованих поверхнях зі сферичними та
циліндричними поглибленнями. На поверхні зі
сферичними лунками – поверхневими генера-
торами вихорів (рис. 3, а) спостерігається утво-
рення специфічних бурунів на виході з лунки,
які підвищують турбулентність течії, перемі-
шуючи шари, з подальшим розтіканням буруна
у плівку. На поверхні з циліндричними поглиб-
леннями (рис. 3, б) явно вираженого буруна
немає. Рідина розтікається у плівку, заповнюю-
чи при цьому частину циліндричного поглиб-
лення. Приблизно така сама картина течії плів-
ки води по поверхні спостерігалась для ромбо-
подібної та квадратної форми поглиблень.
Експерименти показали, що структура
потоку всередині сферичного та інших трьох
форм поглиблень різна (в умовах проведених
дослідів, коли плівка стікає під нахилом і не
заповнює повністю поглиблення). На рис. 4
умовно показано рух потоку рідини у сферич-
ному і циліндричному поглибленнях. Кут
нахилу φ становить 30 град. Течія плівки води у
сферичній лунці (рис. 4, а) супроводжується
безвідривним обтіканням поверхні з активним
перемішуванням потоків і виносом течії у
формі буруна на поверхню. У циліндричному
поглибленні спостерігається відрив плівки від
поверхні течії з можливим утворенням застій-
них зон А (рис. 4, б). Поглиблення, в яких є
різка зміна поверхні течії, тобто поглиблення
циліндричної, квадратної або ромбоподібної
форми призводять до гіршої турбулізації пото-
ку і, відповідно, гіршої інтенсивності тепловід-
дачі.
Результати досліджень. На рис. 5 показано
вплив витрати води на ступінь її охолодження
44 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
В.В. ДУБРОВСЬКИЙ
Рис. 5. Залежність ступеня охолодження води від її витрати на поверхнях
з різною формою поглиблень: l – сферичні поглиблення;
○ – циліндричні; + – ромбоподібні; Δ – квадратні;
швидкість повітря Va, м/с: криві 1 – 0; 2 – 2,5
Δt при течії по поверхнях з чотирма різними
формами поглиблень в умовах дії повітря різної
інтенсивності. Початкова температура води на
вході в лотік становила t1 = 40°С, температура
оточуючого повітря tа = 25°С.
Поверхня зі сферичними поглибленнями
дає значно кращий результат щодо ступеня
охолодження води у порівнянні зі іншими
поглибленнями. Наприклад, при витраті
G = 0,038 кг/с та обдуванні повітрям зі швидкі-
стю Va = 2,5 м/с величина Δt відрізняється
майже удвічі у порівнянні сферичного та квад-
ратного поглиблення. Зі збільшенням витрати
води (тобто потовщенням стікаючої плівки)
величина Δt, природно, у всіх випадках змен-
шується.
Інтенсифікація тепловіддачі помітно зро-
стає за рахунок дії повітряного потоку у
поперечному напрямку. Притік свіжого повіт-
ря призводить до підвищення ступеня охолод-
ження в усіх випадках, але вплив відносної
швидкості фаз вода – повітря на тепловіддачу
на поверхні зі сферичними лунками вище.
Коефіцієнти тепловіддачі α від води до
повітря обчислювались, як і раніше [2], за відо-
мими формулами:
Q = c GΔt; α = Q/(F(tw – ta)),
де Q – кількість тепла, яка відбиралась від води,
c – питома теплоємність води, F – площа
поверхні зрошувача (F = L×l), tw – середня тем-
пература води в лотку. Отримані дані для
чотирьох форм поглиблень було представлено у
вигляді безрозмірного коефіцієнта тепловіддачі
– числа Нусcельта:
Nu = αL/λа,
де λа – коефіцієнт теплопровідності повітря.
В табл. 2 для трьох форм поглиблень та різ-
них чисел Рейнольдса Reпл для плівки стікаю-
чої води (Reпл = 4G/(lνwρw), νw, ρw – відповідно
коефіцієнт кінематичної в’язкості та густина
води) наведено осереднені дослідні значення
відношення Nu/Nuс, де Nuс – число Нусcельта
для поверхні зі сферичними поглибленнями.
Це відношення характеризує ефективність теп-
ловіддачі на різних профільованих поверхнях у
порівнянні з найкращою поверхнею зі сферич-
ними лунками. На рис. 6 проілюстровано
залежність відношення Nu/Nuс від числа
Рейнольдса.
Дані, наведені у табл. 2, було апроксимовано
лінійною функцією
Nu/Nuс = a + b ⋅Reпл. (1)
В табл. 3 наведено результати розрахунку
величин a та b.
Для поверхні зі сферичними лунками рані-
ше [3] було отримано емпіричну узагальнюючу
залежність для безрозмірного коефіцієнта теп-
ловіддачі:
(2)
у діапазоні 510 ≤ Reпл ≤ 3200; 26070 ≤ Reвід ≤
≤ 1462000; 3,2 ≤ L/l ≤ 28,3. Тут Reвід = Va L/νa,
νa – коефіцієнт кінематичної в’язкості повітря.
З формули (2) може бути обчислено ефек-
тивний коефіцієнт тепловіддачі, який відобра-
45ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Теплообмін між рідиною та повітрям на поверхнях з різною формою поглиблень
Таблиця 2 – Дослідні дані щодо ефективності тепловіддачі на різних формах поглиблень
жає сумарний ефект охолодження плівки води
за рахунок конвективного теплообміну та випа-
ровування рідини. З використанням формул (2)
та (1), а також даних табл. 3 можна обчислити
коефіцієнти тепловіддачі на поверхнях з
циліндричними, ромбоподібними та квадрат-
ними поглибленнями.
Таким чином, за результатами експеримен-
тів можна зробити висновок, що використання
у плівкових градирнях поверхонь з циліндрич-
ними, ромбоподібними чи квадратними
поглибленнями як зрошувачів є нераціональ-
ним. Для впровадження можна рекомендувати
профільовані поверхні зі сферичними лунками
діаметром 16 мм і глибиною 5 мм в межах
об’ємної густини зрошування від 0,44 до
2,83 м3/(м⋅год).
ВИСНОВКИ
1. Вперше експериментально досліджено
вплив геометричної форми поглиблень на
поверхні зрошувачів на тепловіддачу від сті-
каючої плівки води до оточуючого повітря.
Розглянуто та порівняно чотири форми
поглиблень з однаковою площею у плані та
глибиною: сферичну, циліндричну, ромбопо-
дібну та квадратну. Дослідження виконано на
різних витратах води та різних швидкостях
повітряного потоку, що обдуває плівку рідини
у поперечному напрямку, а також в умовах
нерухомого середовища.
2. Отримано емпіричні залежності, що дозво-
ляють обчислити коефіцієнти тепловіддачі на
поверхнях зі сферичними, циліндричними, ром-
боподібними та квадратними поглибленнями.
46 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
В.В. ДУБРОВСЬКИЙ
Таблиця 3 – Коефіцієнти лінійної апроксимації за формулою (1)
Рис. 6. Залежність відношення Nu/Nuс від числа Рейнольдса:
○ – циліндричні поглиблення; + – ромбоподібні; Δ – квадратні
3. Встановлено, що найкращими з точки
зору тепловіддачі є поверхні з поглибленнями у
вигляді сферичних лунок. Такі зрошувачі
можуть бути рекомендовані для впровадження
на плівкових градирнях.
1. Дубровский В.В. Экспериментальное
исследование теплообмена пленки жидко-
сти, стекающей по профилированной
поверхности, с воздухом / В. В. Дубровский,
А.М. Подвысоцкий, А.А. Шрайбер //
Проблеми загальної енергетики. – 2009. –
№ 19. – С. 39–45.
2. Шрайбер А.А. Обобщение опытных
данных по теплообмену пленки жидкости,
стекающей по гладким и профилированным
поверхностям, с воздухом / А.А. Шрайбер,
В.В. Дубровский, А.М. Подвысоцкий //
Промышленная теплотехника. – 2010. –
Т. 32, № 4. – С. 21–27.
3. Дубровський В.В. Тепловіддача на про-
фільованих поверхнях промислових плівко-
вих градирень / В.В. Дубровський,
О.М. Підвисоцький, М.С. Гришук,
А.П. Неділько // Проблеми загальної енер-
гетики. – 2014. – Вип. 3 (38). – С. 50–56.
4. Халатов А. А. Теплообмен и гидродина-
мика в полях центробежных массовых сил,
Т. 5: Тепломассообмен и теплогидравличе-
ская эффективность вихревых и закручен-
ных потоков / А.А. Халатов, И.И. Борисов,
С.В. Шевцов. – Киев: Институт техниче-
ской теплофизики НАН Украины, 2005. –
500 с.
5. Леонтьев А.И. Теплофизика и теплотех-
ника перспективных интенсификаторов
теплообмена (обзор) / А.И. Леонтьев,
В.В. Олимпиев // Энергетика, РАН
(Известия АН). – 2011. – № 1.
Надійшла до редколегії 10.02.2016
47ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 1 (44)
Теплообмін між рідиною та повітрям на поверхнях з різною формою поглиблень
|
| id | systemreorg-article-93 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:03:56Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/ee/d2de954352bf8a6f5570a9de772ab5ee.pdf |
| spelling | systemreorg-article-932026-07-18T12:57:31Z Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples Теплообмін між рідиною та повітрям на поверхнях з різною формою поглиблень Dubrovskyi V.V. film-type cooling tower, the shape of dimples on the surface of sprinklers, heat transfer, degree of cooling. плівкова градирня, форма поглиблень на поверхні зрошувача, тепловіддача, ступінь охолодження. Profiling of the surface of sprinklers of film-type cooling towers in the form of dimples leads to a significant increase in heat transfer between the liquid and surrounding air as compared with a smooth surface. The shape of dimples on the surface of the flow affects the degree of flow turbulization and heat transfer intensification. The search for the geometric shapes of dimples on the sprinklers surface leading to an increase in the efficiency of the operation of cooling towers is a topical technical problem.The aim of this work is to investigate experimentally the influence of dimples shape on the surface of sprinklers on the heat transfer from flowing water film to ambient air and determine the best profiled surface of sprinklers.Our experiments were carried out with dimples of spherical, cylindrical, rhombic, and square shapes on the surfaces of sprinklers. These investigations were performed on different modes of interaction between the water and air phases under conditions of cross flow of water film by air of different velocity as well as under conditions of quiescent air environment.We have obtained empirical dependencies that allow one to calculate the coefficients of heat transfer on the surfaces with spherical, cylindrical, rhombic, and square dimples. We have established that, from the view point of heat transfer, surfaces with spherical dimples are the best, and we recommend them for the implementation at film-type cooling towers. Профілювання поверхні зрошувачів плівкових градирень у вигляді поглиблень призводить до суттєвого підвищення теплообміну між рідиною та оточуючим повітрям у порівнянні з гладкою поверхнею. Від форми поглиблень на поверхні течії залежить ступінь турбулізації потоку і інтенсифікація тепловіддачі. Пошук геометричних форм поглиблень на поверхні зрошувачів, які призводять до підвищення ефективності роботи градирні, є актуальною технічною задачею.Мета цієї роботи – експериментально дослідити вплив форми поглиблень на поверхні зрошувача на тепловіддачу від стікаючої плівки води до оточуючого повітря і визначити найкращу профільовану поверхню зрошувача.Досліди проводились з поглибленнями сферичної, циліндричної, ромбоподібної та квадратної форми на поверхнях зрошувачів. Дослідження виконано на різних режимах взаємодії фаз вода – повітря при поперечному обдуванні стікаючої плівки повітрям різної інтенсивності, а також в умовах нерухомого повітряного середовища.Отримано емпіричні залежності, що дозволяють обчислити коефіцієнти тепловіддачі на поверхнях зі сферичними, циліндричними, ромбоподібними та квадратними поглибленнями.Встановлено, що найкращі з точки зору тепловіддачі є поверхні з поглибленнями у вигляді сферичних лунок і вони можуть бути рекомендовані для впровадження на плівкових градирнях. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2016-04-13 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/93 10.15407/pge2016.01.041 System Research in Energy; No. 1 (44) (2016): The problems of general energy; 41-47 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (44) (2016): Проблеми загальної енергетики; 41-47 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/93/69 Copyright (c) 2016 Dubrovskyi V.V. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | film-type cooling tower the shape of dimples on the surface of sprinklers heat transfer degree of cooling. Dubrovskyi V.V. Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples |
| title | Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples |
| title_alt | Теплообмін між рідиною та повітрям на поверхнях з різною формою поглиблень |
| title_full | Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples |
| title_fullStr | Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples |
| title_full_unstemmed | Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples |
| title_short | Heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples |
| title_sort | heat transfer between liquid and air on surface with different shape of dimples |
| topic | film-type cooling tower the shape of dimples on the surface of sprinklers heat transfer degree of cooling. |
| topic_facet | film-type cooling tower the shape of dimples on the surface of sprinklers heat transfer degree of cooling. плівкова градирня форма поглиблень на поверхні зрошувача тепловіддача ступінь охолодження. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/93 |
| work_keys_str_mv | AT dubrovskyivv heattransferbetweenliquidandaironsurfacewithdifferentshapeofdimples AT dubrovskyivv teploobmínmížrídinoûtapovítrâmnapoverhnâhzríznoûformoûpogliblenʹ |