Analytical and experimental studies into the processes of hydrodynamics and heat exchange in the channels of disk pulse devices

Abstract

The paper reports an analytical study into the influence of basic parameters of channels in the pulse disk devices on the efficiency of processes of heat exchange and hydrodynamics under the pulse effect on a heat-carrier. A procedure has been proposed for determining basic parameters for the processes of heat exchange and hydrodynamics (flow rate, pressure, a heat-carrier’s temperature) when a liquid is exposed to the pulse effect. Mathematical models have been constructed for the influence of structural and technological parameters of channels in the disk pulse devices on the efficiency of processes of heat exchange and hydrodynamics. Adequacy of the mathematical models has been confirmed by a series of experimental studies involving devices with a single- and multi-step system of the pulse treatment of a heat-carrier. Based on this, we have designed, tested, and implemented industrial structures of the pulse disk heat generators for decentralized heating of buildings for industrial and residential purposes with the single- and two-step pulse influence. The constructed method for a multi-step pulse influence, taking into consideration the results from mathematical modeling, experimentally confirmed and implemented in the structural design of a working chamber in a disk pulse heat generator, has made it possible to improve its energy efficiency by 12 %. We have defined the most efficient geometry for a disk pulse heat generator aimed at its further integration into the system of decentralized heating. A series of experimental studies has been performed, which confirm energy efficiency of the designed devices. One of the designed heat generators with a multistep pulse influence on a heat-carrier has been integrated into a heating system for a shopping mall. Indicators of the heat generator operation meet modern standards of energy efficiency at the level of 0.86‒0.9. Аналітично досліджено дію основних параметрів каналів дискових імпульсних апаратів на ефективність процесів гід-родинаміки й теплообміну при імпульсно-му впливі на теплоносій. Запропоновано методологію визначення основних парамет-рів процесів гідродинаміки й теплообміну (швидкості, тиску, температури тепло-носія) при імпульсному впливі на ріди-ну. Отримано математичні моделі впливу конструктивних і технологічних параме-трів каналів дискових імпульсних апара-тів на ефективність процесів гідродинаміки й теплообміну. Адекватність математич-них моделей підтверджена серією експе-риментальних досліджень на апаратах з однією й багатоступінчастою системою імпульсної обробки теплоносія. На цій осно-ві розроблені, апробовані й впроваджені про-мислові конструкції імпульсних дискових теплогенераторів для децентралізованого обігріву будинків промислового й побуто-вого призначення з однією й двох ступеня-ми імпульсного впливу. Розроблений метод багатоступінчастого імпульсного впливу, з урахуванням результатів математичного моделювання, експериментально підтвер-дженого й реалізованого в конструктивно-му оформленні робочої камери дискового імпульсного теплогенератора, дозволив під-вищити його енергоефективність на 12 %. Визначена найбільш ефективна геометрія дискового імпульсного теплогенератора для подальшої інтеграції його в систему децен-тралізованого теплопостачання.Проведено серію експериментальних до-сліджень, що підтверджують енергоефек-тивність розроблених пристроїв. Один з розроблених теплогенераторів з багато-ступінчастим імпульсним впливом на тепло-носій інтегрований у систему обігріву тор-говельного комплексу. Показники роботи теплогенератора відповідають сучасному рівню енергоефективності з КПД=0,86–0,9.