Оптимизация гидравлических характеристик отопительных приборов для улучшения теплоотдачи

Введение. Рассматривается проблема снижения потребления тепловой энергии и повышения энергоэффективности систем отопления в жилищном секторе для увеличения их жизненного цикла. Разработка новых конструкций отопительных приборов является актуальной задачей. Цель исследования — провести вычислительный эксперимент для определения гидродинамических характеристик смоделированных трубчатых радиаторов отопления разных типов, включая конструкции с усиленной турбулизацией теплоносителя.

Материалы и методы. Выполнен анализ актуальной научной литературы, посвященной повышению эффективности работы систем отопления. Моделирование процесса движения теплоносителя осуществлено в программном комплексе SOLIDWORKS.

Результаты. Разработаны новые конструкции отопительных приборов, которые позволяют снизить объемы потребления тепловой энергии и повысить общую энергоэффективность систем отопления. Исследовано влияние конструкционных элементов на движение теплоносителя. Выяснено, что максимальные показатели турбулентности и эффективность теплообмена обеспечиваются при применении спиральных вставок в радиаторах.

Выводы. Практические эксперименты подтвердили повышение эффективности обогревательных приборов со спиральными вставками примерно на 3  %, что ведет к уменьшению энергопотребления и эксплуатационных расходов. Улучшенные характеристики оборудования обеспечивают уменьшение нагрузки на инженерные сети, продлевая их ресурс эксплуатации и снижая потребность в частом техническом обслуживании.

1. Агафонов П.А. Аудит состояния объектов системы централизованного теплоснабжения // Электрические станции. 2023. № 7 (1104). С. 14–25. DOI: 10.34831/EP.2023.1104.7.003. EDN TYREET.

2. Семикашев В.В. Теплоснабжение в России: текущая ситуация и проблемы инвестиционного развития // ЭКО. 2019. № 9 (543). С. 23–47. DOI: 10.30680/ECO0131-7652-2019-9-23-47. EDN ATVUQK.

3. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения России // Новости теплоснабжения. 2008. № 2 (90). С. 6–9.

4. Ибрагимова К.Т., Султан А.Н. Современные тенденции реконструкции городской жилой среды с малоэтажными многоквартирными жилыми домами (жилая застройка) // Интернаука. 2023. № 16–1 (286). С. 11–14. EDN GZPJEW.

5. Захарова Е.А., Захаров М.В., Зюзин В.А. Реконструкция существующих жилых домов первых массовых серий с применением новых методов строительства // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Строительство и транспорт. 2005. № 3–4. С. 23–27. EDN KZJQDB.

6. Примак И.И. Рекомендации по проведению мероприятий при реконструкции и модернизации индивидуальных тепловых пунктов жилых домов вторичного жилого фонда // Международный научно-исследовательский журнал. 2013. № 10–2 (17). С. 74–75. EDN RJZBRF.

7. Букин С.Н. Особенности зонирования жилого фонда многоквартирных жилых домов Пензенской области по степени урбанизации и социально-экономического развития // Конкурентоспособность в глобальном мире: экономика, наука, технологии. 2017. № 8–1 (55). С. 9–12. EDN ZEIVRT.

8. Мещерякова М.А., Боголепова В.Ю., Арников А.Е. Повышение энергоэффективности системы отопления в жилых домах за счет внедрения инновационных систем // Строительство и недвижимость. 2024. № 2 (15). С. 45–50. EDN FYNYWC.

9. Бодров М.В., Кузин В.Ю., Юланова А.Ф., Прыткова Е.М. О влиянии методов снижения теплопотреб-ления систем обеспечения параметров микроклимата на характеристики систем отопления жилых домов // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2021. № 11 (239). С. 50–53. EDN FSCGHH.

10. Zhilin E.V., Prasol D.A., Savvin N.Y. Optimization of the structure of filter-compensating devices in networks with powerful non-linear power consumers based on fuzzy logic // International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). 2022. Vol. 12. Issue 6. P. 5730. DOI: 10.11591/ijece.v12i6.pp5730-5737

11. Kushchev L.A., Melkumov V.N., Savvin N.Yu., Chuiko V.V. Simulation of heat Carrier Motion in Tubular Heating Radiators // Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2023. No. 2 (58). Pp. 25–33. DOI: 10.36622/VSTU.2023.2.58.003. EDN JMNJIP.

12. Таймасов С.Р. Система поквартирного отопления жилого дома // Научный аспект. 2022. Т. 14. № 6. С. 1798–1802. EDN JVETOQ.

13. Крупнов Б.А., Крупнов Д.Б. К выбору системы водяного отопления в многоэтажных жилых домах // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2015. № 7 (163). С. 31–33. EDN XCOEKL.

14. Абдуханова Н.Г., Рахимова И.Р. Обоснование применения альтернативных систем отопления в многоэтажном жилом доме // Конкурентоспособность в глобальном мире: экономика, наука, технологии. 2024. № 8. С. 3–7. EDN INIQWS.

15. Самаров Е.В. Энергоэффективные системы отопления и вентиляции современного жилого дома // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2023. № 1 (253). С. 100–101. EDN DSPUPT.

16. Хисамиев Б.Р., Даминов Р.Р., Хуснутдинова А.Р., Зиганшин М.Г. Цифровая информационная модель десятиэтажного жилого дома в качестве основы цифрового двойника здания в части системы отопления // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2023. № 6–2 (67). С. 77–80. EDN YIZDKB.

17. Поляков С.И., Акимов В.И., Полуказаков А.В. Моделирование системы управления отоплением «умного» жилого дома // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 1. С. 68–76. DOI: 10.12737/2219-0767-2020-13-1-68-76. EDN IYJUED.

18. Volkova V.N., Loginova A.V., Desyatirikova E.N., Belousov V.E., Chugunov V.V. Simulation Modeling of a Technological Breakthrough in the Economy // 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2018. Pp. 1293–1297. DOI: 10.1109/EIConRus.2018.8317332. EDN YBVXCP.

19. Брух С.В. Реконструкция инженерных систем существующих жилых зданий в Германии // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2022. № 7 (247). С. 38–42. EDN HYUKPT.

20. Саввин Н.Ю. Моделирование теплообменного процесса в оригинальном пластинчатом теплообменнике // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2023. № 2 (25). С. 37–46. DOI: 10.36622/VSTU.2023.41.58.004. EDN YFCIPW.

21. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача : учебник. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Высшая школа, 1975. 497 с.

22. Alfarawi S., Abdel-Moneim S.A., Bodalal A. Experimental investigations of heat transfer enhancement from rectangular duct roughened by hybrid ribs // International Journal of Thermal Sciences. 2017. Vol. 118. Pp. 123–138. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.04.017

23. Kang C., Yang K.S. Characterization of turbulent heat transfer in ribbed pipe flow // Journal of Heat Transfer. 2016. Vol. 138. Issue 4. DOI: 10.1115/1.4032150

24. Song K., Wang L., Hu Y., Liu Q. Flow Symmetry and Heat Transfer Characteristics of Winglet Vortex Generators Arranged in Common Flow up Configuration // Symmetry. 2020. Vol. 12. Issue 2. P. 247. DOI: 10.3390/sym12020247

25. Luo C., Wu S., Song K., Hua L., Wang L. Thermo-hydraulic performance optimization of wavy fin heat exchanger by combining delta winglet vortex generators // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 163. P. 114343. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114343

26. Yuan W., Fang G., Zhang X., Tang Y., Wan Z., Zhang S. Heat transfer and friction characteristics of turbulent flow through a circular tube with ball turbulators // Applied Sciences. 2018. Vol. 8. Issue 5. P. 776. DOI: 10.3390/app8050776

27. Maradiya C., Vadher J., Agarwal R. The heat transfer enhancement techniques and their thermal performance factor // Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences. 2018. Vol. 7. Issue 1. Pp. 1–21. DOI: 10.1016/j.bjbas.2017.10.001

28. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М. : Наука, 1982. 472 с.

29. Белозерцев В.Н., Бирюк В.В., Довгялло А.И., Некрасова С.О., Угланов Д.А., Сармин Д.В. Интенсификация теплообмена : учебное пособие. Самара : Изд-во Самарского университета, 2018. 208 с.

30. Якшин С.С., Саввин Н.Ю., Кущев Л.А. Современные способы повышения эффективности работы отопительных приборов в ЖКХ // Инновационный потенциал развития общества: взгляд молодых ученых : сб. науч. ст. Всеросс. науч. конф. перспективных разработок. 2020. С. 304–307. EDN IWPEQN.

31. Патент RU № 149737 МПК F28D 7/00. Кожухо-трубный теплообменный аппарат / Никулин Н.Ю., Кущев Л.А., Суслов Д.Ю., Уваров В.А. и др.; заявит. и патентообл. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; заявл. № 2014134083/06 от 19.08.14. Опубл. 20.01.15. Бюл. № 2. 3 с.

32. Патент RU № 199344 МПК F28F 3/00. Пластина теплообменника / Кущев Л.А., Саввин Н.Ю., Феоктистов А.Ю. и др.; заявит. и патентообл. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; заявл. № 2020114112 от 03.04.2020. Опубл. 28.08.2020. Бюл. № 25. 5 с.

33. Патент RU № 211314 МПК F24D 3/06. Трубчатый радиатор отопления / Кущев Л.А., Чуйко В.В., Уваров В.А., Саввин Н.Ю., Булгаков С.Б., Алифанова А.И., Архипова Н.А.; заявит. и патентообл. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; заявл. № 2022105089 от 25.02.2022. Опубл. 31.05.2022. Бюл. № 16. 8 с.

34. Патент RU № 212260 МПК F24H 3/06. Трубчатый радиатор отопления / Кущев Л.А., Чуйко В.В., Уваров В.А., Саввин Н.Ю., Булгаков С.Б., Алифанова А.И.; заявит. и патентообл. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; заявл. № 2022109028 от 05.04.2022. Опубл. 13.07.2022. Бюл. № 20. 7 с.

35. Патент RU № 212261 МПК F24H 3/08. Трубчатый радиатор отопления / Кущев Л.А., Чуйко В.В., Уваров В.А., Саввин Н.Ю., Булгаков С.Б., Феоктистов А.Ю.; заявит. и патентообл. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; заявл. № 2022111379 от 24.04.2022. Опубл. 13.07.2022. Бюл. № 20. 5 с.