Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Научно-технические предпосылки создания высокоэффективных теплообменных аппаратов нового поколения 16
1.1. Современные теплообменники низкотемпературных установок, их достоинства и недостатки 16
1.2. Особенности конструкций и основные достоинства матричных и планарных теплообменников 21
ГЛАВА 2. Сетчатые матричные теплообменники 27
2.1. Анализ известных исследований теплообмена в сетчатых матрицах и других поверхностях с каналами сложной формы 27
2.2. Исследование турбулентных пульсаций потока в сетчатых матрицах .-.г. 34
2.3. Теплогидравлические исследования сетчатых матриц 43
2.3.1. Теплообмен в плотно упакованных матрицах 43
2.3.2. Влияние размера ячейки сетки на ТГХ 52
2.3.3. Анализ результатов исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в плотно упакованных сетчатых матрицах 55 \
23Л. Влияние величины зазора между сетками в разреженной матрице на её теплогидравлические характеристики 61
2.3.5. Влияние пульсации расхода теплоносителя на теплогидравлические характеристики сетчатых матриц 67
2.4. Повышение эффективности сетчатых теплообменных аппаратов как результат выполненных исследований 81
ГЛАВА 3. Матричные теплообменные аппараты из перфорированных пластин 84
3.1. Теплогидравлические исследования моделей МТ из 1111 84
3.2. Исследование тепловой эффективности 1111, работающих в режиме оребрения 100
3.2.1. Одномерная модель ребра 104
3.2.2. Исследование двумерного температурного поля и определение эффективности ребра одиночной перфорированной пластины 107
3.2.3. Исследование температурных полей и эффективности рёбер из перфорированных пластин в пакете (матрице) 117
3.3. Анализ геометрических параметров перфорированных пластин матричных теплообменников 125
3.4. Исследование теплогидравлических характеристик матричной поверхности из 1111 при кипении теплоносителя 132
3.4.1. Модели аппаратов матричного типа для исследования теплообмена при кипении 134
3.4.2. Экспериментальный стенд 138
3.4.3. Методика обработки экспериментальных данных 141
3.4.4. Результаты экспериментального исследования кипения на матричной теплообменной поверхности 142
3.4.5. Сопоставление матричного теплообменника-испарителя с испарителями других типов 167
Стр. 3.4.6. Основные результаты исследования матричных поверхностей при кипении теплоносителя 172
3.5. Испытания опытных образцов матричных теплообменников 174
3.5.1. Испытания матричных теплообменников при криогенных температурах 174
3.5.2. Испытания матричных теплообменников системы охлаждения масла в авиационном двигателе 189
3.5.3. Разработка и испытания матричного подогревателя паров бензина в установках риформинга бензина для малогабаритных нефтеперерабатывающих заводов нового поколения 194
ГЛАВА 4. Планарные теплообменные аппараты 197
4.1. Особенности конструкций планарных теплообменных аппаратов 197
4.2. Численное исследование теплообмена и течения газа в микроканалах различной формы 211
4.3. Результаты численного исследования интенсивности теплообмена и гидродинамического сопротивления в микроканалах различной формы 220
4.4. Экспериментальное исследование планарных микрорефрижераторов, теплообмена и гидродинамического сопротивления в их каналах 234
ГЛАВА 5. Показатели эффективности, расчет и оптимизация конструкций теплообменных аппаратов 240
5.1. Разработка показателя эффективности теплообменных поверхностей для рекуперативных ТА 241
5.3. Технико-экономическое исследование эффективности матричного теплообменника 258
5.4. Особенности расчета высокоэффективных теплообменных аппаратов криогенных установок 264
5.5. Методика оптимизационного расчёта матричного теплообменника 275
6. Технологические достижения и проблемы изготовления матричных и планарных теплообменных аппаратов 290
Заключение 316
Список литературы
- Особенности конструкций и основные достоинства матричных и планарных теплообменников
- Анализ результатов исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в плотно упакованных сетчатых матрицах
- Исследование двумерного температурного поля и определение эффективности ребра одиночной перфорированной пластины
- Численное исследование теплообмена и течения газа в микроканалах различной формы
Введение к работе
Высокие требования к эффективности, компактности и надежности теплообменных аппаратов в современных установках низкотемпературной техники в сочетании с новыми уникальными технологическими достижениями позволили создать конструкции теплообменных аппаратов (ТА), которые по сути представляют новое поколение в их развитии.
Такими ТА являются высококомпактные матричные аппараты, теплообменная поверхность которых, собственно матрица, представляет собой слоисто-пористый композиционный материал, обладающий ортогональной анизотропной теплопроводностью, и миниатюрные планарные ТА с щелевыми микроканалами. Оба типа ТА образованы набором плоских элементов. Для матричных ТА это перфорированные пластины (ПП) или элементы, полученные из сеток. Количество ПП или сеток в матрице может быть от нескольких десятков до нескольких сотен и даже тысяч. Количество пластин в конструкции планарного ТА не велико - всего несколько штук, но не менее двух.
Конструкции обоих типов ТА могут быть изготовлены с помощью применения диффузионной сварки для надёжного соединения всех плоских элементов в прочную и герметичную конструкцию. Кроме того, для изготовления плоских элементов конструкций обоих ТА применяется высокоточная штамповка, а также процессы электрохимического травления в сочетании с фотолитографией. Применение таких технологических процессов при изготовлении плоских элементов позволяет создавать совокупность микроканалов со строго заданными геометрическими параметрами.
Применение диффузионной сварки практически исключает отклонение размеров каналов от номинальных размеров, так как такой способ соединения элементов ТА в целостную прочную конструкцию не требует присадочных материалов, флюсов и припоев.
При создании современных эффективных ТА наиболее плодотворными і оказались два принципа: первый - создание развитых теплообменных поверхностей (ТП) с малыми значениями эквивалентного диаметра, что позволяет увеличить компактность, т.е. теплопередающую поверхность в единице объема; второй - создание благоприятных гидродинамических условий течения теплоносителя по каналам ТП, обеспечивающих высокие значения коэффициентов теплоотдачи при умеренных гидравлических сопротивлениях.
При создании матричных и планарных ТА, так же как и при создании ряда других эффективных ТА, эти два принципа соблюдаются одновременно. Теплообменные поверхности этих ТА имеют высокую компактность (значения S достигают 3000 — 10000 м /м ), а эквивалентные диаметры каналов могут иметь значения меньше 1 мм. Форма и размеры каналов этих ТА создают эффективную маломасштабную турбулизацию теплоносителя, которая существенно уменьшает термическое сопротивление пограничного слоя.
Особенности конструкций матричных и планарных ТА позволили получить высокопрочные аппараты, способные работать при высоких давлениях теплоносителей, и это делает их альтернативными широко распространенным трубчатым ТА. Еще одним достоинством матричных ТА, является низкая продольная теплопроводность стенок каналов матрицы, что приводит к уменьшению отрицательного влияния этого фактора на эффективность ТА, способных работать при высоких значениях теплового КПД (более 95 %).
Цель исследования
Создание высокоэффективных матричных и планарных теплообменных аппаратов нового типа для компактных криогенных систем и установок с применением современных технологий.
Задачи исследования
1) Проектирование и изготовление матричных и планарных ТА с параметрами, превосходящими их альтернативные прототипы.
2) Разработка методов экспериментального исследования интенсивности теплопередачи и гидродинамического сопротивления в моделях матричных и планарных ТА. Создание экспериментальных установок для исследования интенсивности теплопередачи и гидродинамического сопротивления в моделях и образцах ТА в условиях вынужденной конвекции при стационарных и пульсирующих режимах течения однофазного теплоносителя, а также при вынужденном течении двухфазного (кипящего) теплоносителя.
3) Экспериментальные и теоретические исследования процессов теплопередачи и гидродинамического сопротивления в матричных и планарных ТА, систематизация и обобщение результатов исследований с целью создания методов оптимизационного проектирования этих типов ТА.
4) Теоретические и экспериментальные исследования эффективности перфорированной поверхности теплообмена, функционирующей в режиме вторичной поверхности (поверхности оребрения). Оптимизация геометрических параметров перфорированных пластин.
5) Оценка эффективности исследованных матричных поверхностей теплообмена, работающих в режимах рекуперативного и регенеративного теплообмена, по целевому показателю, учитывающему их тепловые, гидравлические и геометрические характеристики. Разработка метода и методики оценки эффективности поверхностей теплообмена по целевому показателю. Технико-экономическая оценка эффективности матричных ТА.
6) Исследование влияния температурного уровня и вторичных факторов на массогабаритные характеристики матричных ТА.
7) Разработка метода оптимизационного проектного расчёта матричных ТА.
8) Экспериментальное и численное исследование интенсивности теплообмена и гидродинамического сопротивления в микроканалах планарных ТА.
9) Проведение испытаний матричных и планарных ТА в составе систем и установок, работающих в различных диапазонах температур (10...550 К); определение прочностных характеристик матричных ТА в условиях воздействия перегрузок различного характера.
10) Формирование технологических требований к конструкциям матричных и планарных ТА, поиск новых технологических приемов для изготовления матричных ТА.
Методы исследования. Основной метод исследования - экспериментальный в сочетании с расчетно-теоретическими решениями отдельных задач, анализ и корреляция их результатов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- получен большой массив новых экспериментальных данных по интенсивности теплообмена и гидродинамическому сопротивлению при вынужденном течении теплоносителя в матричных поверхностях теплообмена, состоящих из мелких плетёных металлических сеток и перфорированных пластин, обладающих высокой компактностью (до 10000 м /м и более), имеющих широкий диапазон геометрических параметров (D3=0,06...7 мм; сіяч=0,04...5,5 мм; d0=0,6...2 мм; 5=0,155...0,5 мм) и параметров течения газообразного теплоносителя (Re=10...2000); впервые исследованы стабилизация теплообмена по высоте сетчатой матрицы и значения турбулентных пульсаций потока на входе и выходе из матрицы;
- получены новые экспериментальные данные по интенсивности теплообмена при кипении теплоносителя (воды) в матрицах из перфорированных пластин в условиях естественной конвекции и при вынужденном течении теплоносителя; определены значения критической плотности теплового потока;
- впервые изготовлены и исследованы новые конструкции планарных микротеплообменников из металлических пластин с щелевыми каналами глубиной 0,15...0,25 мм различной формы и размеров; получены новые данные по интенсивности теплообмена и гидродинамическому сопротивлению в каналах планарных микротеплообменников с использованием численного и экспериментального методов исследования;
- в результате теоретических и экспериментальных исследований получены новые данные по эффективности перфорированного плоского ребра с одномерным и двумерным температурным полем при постоянной по сечению канала температуре набегающего потока и в условиях деформации профиля температуры набегающего потока предшествующими перфорированными пластинами;
- получены новые данные по оценке относительной эффективности матричных и других высокоэффективных поверхностей теплообмена (трубчатых витых и пластинчато-ребристых) с использованием разработанной методики, целевой функцией которой являются относительный объём (размеры) или относительный тепловой поток, передаваемый теплообменной поверхностью;
- впервые получены данные по оптимизации геометрических параметров (в пределах d0=0,5...8 мм, 5=0,5...2 мм, р=0,25...0,75) перфорированной пластины, являющейся теплопередающим элементом матрицы;
- впервые выполнены исследования и испытания опытных образцов матричных и планарных теплообменников в составе низкотемпературных установок при температурах Т 5,5 К, а также в системе охлаждения масла турбореактивных авиационных двигателей и в системе подогрева паров бензина в модульной установке для получения высокооктанового бензина при Т 523 К (результаты испытаний положительные, см. приложения 1.. .4);
- впервые выполнены технико-экономические исследования матричного теплообменника, функционирующего в авиационной системе, и получена новая, информация по оценке его эффективности, которая определялась с учётом затрат за весь жизненный цикл, включая затраты на НИОКР, себестоимость изготовления, стоимость провоза единицы массы, стоимость оборудования для его изготовления и с учётом ресурса эксплуатации.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1) Созданы 4 экспериментальных установки (стендов) для исследования теплогидравлических характеристик большого количества технологических, экспериментальных и опытных образцов матричных и планарных теплообменников, конструкции которых защищены патентами и авторскими свидетельствами.
2) Впервые разработаны, изготовлены и испытаны в составе новой техники матричные и планарные теплообменники, созданные с применением диффузионной сварки в вакууме.
3) Разработаны и апробированы методики и программы оптимизационного проектирования матричных теплообменных аппаратов из перфорированных пластин для гелиевого ожижителя ОГ-25.
4) Результаты исследований теплообмена и гидродинамического сопротивления в матрицах из сеток и перфорированных пластин обобщены и представлены в безразмерном виде, удобном для практического применения при проектировании матричных теплообменников с однофазными теплоносителями для компактных криогенных установок.
5) Результаты исследований по теплообмену при кипении теплоносителя в матрицах из перфорированных пластин при естественной и вынужденной конвекции обобщены в широком диапазоне режимных параметров и могут быть применены при проектировании испарителей нового типа.
6) Разработана методика и определена относительная эффективность 17-ти теплообменных поверхностей разных типов (трубчатые витые, пластинчато-ребристые, матричные), показана высокая эффективность матричных поверхностей теплообмена.
7) При создании новых конструкций матричных и планарных теплообменников применены процессы и способы высоких технологий доступные для реализации в промышленном использовании при серийном изготовлении теплообменников такого типа.
Достоверность результатов исследований обеспечивалась:
- стендовыми испытаниями и эксплуатацией в составе опытных систем и установок;
- соответствием полученных экспериментальных данных результатам расчетов;
- применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения;
- расчетной оценкой погрешностей полученных результатов измерений и производных от них величин.
Работа содержит шесть глав, введение и заключение.
В первой главе показаны научно-технические предпосылки создания высокоэффективных теплообменников новых конструкций, которые можно отнести к теплообменным аппаратам нового поколения.
Вторая глава посвящена исследованию теплогидравлических характеристик при вынужденном течении теплоносителя в матрицах из мелких сеток при стационарных и пульсирующих (периодических) режимах течения потока.
Третья глава посвящена исследованию теплогидравлических характеристик в матрицах из перфорированных пластин, имеющих широкий диапазон геометрических параметров перфорированных пластин и матрицы; исследованию одномерных и двумерных полей температур плоских перфорированных пластин-рёбер и получению зависимостей для расчёта эффективности КПД таких ребер; расчетному анализу влияния геометрических параметров пластин на их эффективность; исследованию теплогидравлических характеристик матриц при кипении теплоносителя (воды) при различных режимах и различных геометрических параметрах матрицы; разработке, методики расчёта матричного теплообменника-испарителя и сопоставлению его с испарителями других типов.
В четвертой главе представлены особенности конструкций планарных теплообменников, численные и экспериментальные результаты исследований теплообмена и гидродинамического сопротивления при течении газа в микроканалах и результаты исследований микрорефрижераторов на базе конструкций планарных теплообменников.
В пятой главе показаны разработанные показатели оценки эффективности теплообменных поверхностей применительно к регенеративным и рекуперативным теплообменникам и даны результаты их применения для оценки эффективности исследованных и альтернативных поверхностей теплообмена; приведены результаты технико-экономических исследований матричного теплообменника при его применении в авиационной системе охлаждения масла турбореактивного двигателя; приведена методика оптимизационного проектного расчета матричного теплообменника.
В шестой главе показаны технологические особенности, достижения и проблемы изготовления матричных и планарных теплообменников из различных металлов (медь, сталь, алюминиевые сплавы и титан).
Особенности конструкций и основные достоинства матричных и планарных теплообменников
Основой конструкции матричного ТА является матрица, представляющая собой набор большого количества плоских элементов, сеток или перфорированных пластин и прокладок, набранных в единый пакет путем их прочного и герметичного соединения с помощью диффузной сварки или склеивания. В результате такая матрица является слоисто-пористым материалом с ортогонально анизотропной теплопроводностью и системой каналов для течения теплоносителей. Конструкция ТА с матрицей из 1111 показана на рис. 1.2, а с матрицей из плетёных сеток на рис. 1.3. Первая конструкция имеет систему параллельных каналов, в данном случае всего три канала, а вторая (рис. 1.3) имеет систему каналов, расположенных в шахматном порядке. Теплопроводность матриц в поперечном направлении, т.е. от канала к каналу велика, т.к. определяется теплопроводностью материала 1111 или сетки, которые изготавливаются из меди, алюминия или их сплавов.
Теплопроводность вдоль продольной оси матрицы низкая, так как ее значение зависит и от теплопроводности прокладки, материал которой выбирается с низким коэффициентом теплопроводности (антикоррозионная сталь, титан, неметаллический материал). Сочетание материалов 1111 и прокладки зависит от технологии соединения элементов матрицы между собой и стремления уменьшить продольную теплопроводность матрицы, а точнее, уменьшить продольную теплопроводность стенок каналов матрицы.
Схема конструкции сетчатого матричного теплообменника По торцам матрицы располагаются коллекторы для подвода и отвода теплоносителей к каналам матрицы. Соединение коллекторов с матрицей обычно осуществляется одним технологическим процессом сборки ТА. Изготовление ПП и прокладок для матричных ТА производится их штамповкой из тонкого металлического листа. Для изготовления ПП с мелкой перфорацией (менее 1 мм) можно применять другие способы, например, электрохимическое травление или гальванопластику. Эти способы изготовления ПП можно применять и в тех случаях, когда форма отверстий перфорации имеет сложную конфигурацию (щель, овал и другие).
Дня сетчатых матриц теплопередающие элементы изготавливаются из плетёной металлической сетки, выпускаемой промышленностью или из листовой сетки, изготавливаемой из тонкого металлического листа методом просечек с последующей растяжкой (см. таблицу 1).
Планарные ТА состоят из нескольких (не менее двух) плоских металлических пластин, имеющих систему микроканалов. На рис. 1.4 показана конструкция планарного ТА, состоящего из двух пластин. Нижняя основная пластина имеет три канала зигзагообразной формы. нд вд
Центральный канал предназначен для течения газообразного потока высокого давления, а два других боковых канала для течения обратного газообразного потока низкого давления, имеющего несколько меньшую температуру. Верхняя покрывная пластина, не имеющая каналов, прочно и герметично соединена с основной с помощью диффузионной сварки, применение которой практически исключает деформацию формы и размеров микроканалов. Данная конструкция ТА предназначена для дроссельного микрорефрижератора и является альтернативной конструкцией трубчатому витому ТА, изготавливаемому из трубок, имеющих миниатюрные размеры.
Планарные ТА могут иметь различную форму пластин: прямоугольную, круглую, треугольную и так далее (таблица 1). Форма и размеры планарного микротеплообменника определяются функциональными и компоновочными требованиями к системе, в которую он входит. Размеры и форма микроканалов выбираются конструктором с учетом технологии их изготовления.
Для изготовления микроканалов в металлических пластинах применяется метод фотолитографии с последующим электрохимическим травлением. Такая технология изготовления является отработанной, производительной, прогрессивной и применяемой в производстве.
Из описания конструкций матричных и планарных ТА видно, что эти аппараты принципиально отличаются от известных типов ТА. Появление этих новых типов ТА связано с возникновением новых требований к конструкциям современных теплообменных аппаратов. Такими требованиями являются: высокая компактность, высокие прочность и надежность, минимизация габаритных размеров, технологичность и возможность автоматизации технологических процессов и операций изготовления ТА. Создание новых конструкций тепло-обменных аппаратов стало возможным благодаря достижениям современных технологий высокоточной штамповки, диффузионной сварки, фотолитографии в сочетании с электрохимическим травлением.
Новые повышенные требования к совершенству конструкций ТА связаны с усовершенствованием вновь создаваемых компактных криогенных установок, повышением их конкурентоспособности. Наиболее перспективно применение матричных теплообменников в гелиевых, водородных, неоновых криогенных установках {рефрижераторах и ожижителях) и в других установках малой и средней производительности. Матричные теплообменники уже нашли применение в компактных гелиевых рефрижераторах с холодопроизводительностью 5-10 Вт. В то же время матричные ТА оказались перспективными и для применения в других энергетических устройствах. В частности, эти аппараты эффективны для применения в системах охлаждения масла современных авиационных двигателей благодаря своей компактности и высокой прочностной надежности при воздействии вибрационных перегрузок. Планарные ТА оказались эффективны для применения в системах криостатирования элементов электронной техники с малыми тепловыделениями. Основным достоинством пла-нарных ТА для этой техники стало то, что они являются плоскими и тонкими по своей конструкции.
Анализ результатов исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в плотно упакованных сетчатых матрицах
Сильное влияние H/D3 на а или Nu наблюдается при малых скоростях движения потока через матрицу (рис. 2.8). Влияние H/D3 на % при этих скоростях практически не наблюдается. С ростом скорости потока влияние НЯ)э на а уменьшается, а расслоение характеристик по сопротивлению растёт. Всё это указывает на сложность процессов течения и теплообмена в матрицах. Взаимодействие потока и теплообмен одной сетки и пакета, состоящего из большого количества сеток, можно рассматривать как два предельных случая: внешнее обтекание проволоки плетения сетки и внутреннее течение по многочисленным каналам матрицы, которые образованы ячейками сетки.
При таком подходе теплообмен и сопротивление одной сетки можно сравнить с характеристиками поперечно обтекаемого цилиндра, а процессы в матраце - с теплообменом и сопротивлением при течении по каналам сложной формы: криволинейные с периодически меняющейся формой и размером сечения. Такое сравнение проведено и его результаты показаны на рисунках 2.16 и 2.17.
Из рисунка 2.16 видно, что значения критерия Nu для одной сетки и поперечно обтекаемого цилиндра совпадают. Здесь сравниваются данные по теплоотдаче пяти размеров сеток (№ 004, № 0071, № 0112, № 016, № 07) и данные Р. Хильперта, приведённые в [27] для поперечно обтекаемого цилиндра
Значения Nu для пакетов из большого количества плотно уложенных сеток существенно ниже значений Nu для одной - двух сеток с характерным внешним обтеканием проволочек (цилиндров). Теплоотдача в пакете с большим количеством сеток (сетка № 004, Н/Оэ = 212) по своей интенсивности ближе к теплоотдаче при внутреннем течении по каналам сложной формы (рис. 2.16). Поскольку данные по теплообмену в каналах столь сложной формы, какие имеют место в сетчатой матрице, отсутствуют, то в качестве первого приближения для сравнения используем экспериментальные данные, полученные для канала довольно сложной формы, образованного двумя рифлёными поверхностями [12], плоского синусоидального канала [27], а также криволинейного (спирального) канала круглого сечения [28].
Аналогичная закономерность наблюдается и для характеристик по сопротивлению одной сетки и пакета сеток. На рис. 2.17 а показан характер изменения при переходе от одной сетки к пакету сеток. Это изменение 4 подобно переходу от сопротивления поперечно обтекаемого цилиндра к сопротивлению в каналах сложной формы [12, 28, 29] (рис. 2.17 6). При сравнении теплоотдачи и сопротивления одной сетки с цилиндром, в качестве определяющего геометрического размера в Re, Nu и Ъ, принимался диаметр проволоки сетки.
Таким образом, для одной сетки и пакета сеток имеет место переход от условий внешнего обтекания с высокой интенсивностью теплоотдачи к условиям внутреннего течения с меньшей интенсивностью теплоотдачи.
Процессы взаимодействия потока с одной сеткой можно представить как процессы течения и теплообмена, проистекающие в очень коротком канале с присущей ему высокой интенсивностью теплоотдачи. С увеличением же длины канала теплоотдача в нём снижается вследствие проявления динамической и тепловой стабилизации. Сильное влияние относительной длины канала сложной формы на а наблюдалось в целом ряде исследований. При исследовании в канале образованном двумя рифлёными поверхностями [12] было обнаружено существенное влияние его длины на интенсивность теплообмена в нём до значений НЮэ =72. Глазер [30] при определении а в различных насадках для регенераторов установил влияние НЮэ на теплообмен до значения равного 46. Ф.М. Тарасовым [27] приводятся данные, свидетельствующие о влиянии относительной длины на теплообмен в плоском синусоидальном канале вплоть до НЮЭ = 285.
Также установлено существенное влияние длины канала сложной формы на коэффициент сопротивления. По данным работы [12] это влияние заметно до значений НЮэ = 72, а по данным Глазера для гофрированных насадок наблюдается расслоение характеристик %=f(Re) в диапазоне НЮэ =1,33 -24,4. В обоих этих исследованиях установлено, что расслоение тем заметнее, чем больше Re, причём с уменьшением НЮэ значения увеличиваются. В исследовании В.П. Алексеева [13] отмечено, что влияние концевых потерь на величину , наиболее сильно проявляется у относительно коротких каналов. Эти результаты подобны нашим, полученным для сетчатых матриц.
В настоящее время отсутствуют теоретические и очень мало экспериментальных сведений о влиянии относительной длины канала сложной формы на теплообмен в нём.
Опираясь на исследования теплообмена в каналах простой формы, сильное расслоение характеристик по теплообмену в матрицах при малых Re можно объяснить режимом движения потока, близким к вязкостному. Именно при этом режиме наблюдаются продолжительные участки тепловой и динамической стабилизации [31, 32, 33]. В исследовании Б.С. Петухова и др. [34] участок тепловой стабилизации, при течении масла в трубе составил L/сІвн = 72 и более. При этом, а близкое к входу в трубу превышало стабилизированное его значение более чем в 5 раз.
Исследование двумерного температурного поля и определение эффективности ребра одиночной перфорированной пластины
Для определения температурного поля тонкого треугольного перфорированного ребра (рис. 3.16) составим дифференциальное уравнение теплопроводности при условии постоянной температуры потока, омывающего ребро iB=const, причем tB to- Тогда уравнение теплового баланса для рассматриваемого элемента треугольного ребра длиной dx и толщиной 5, при условии подвода к нему тепла, можно записать следующим образом: Qx+dx-Qx=dQ. (3.21) QX=X,—f = -2XSx —, dx dx где Qx - количество тепла, отведенное от газа ребром в сечении "х"; (3.22) = te -1 - избыточная температура ребра в сечении "х"; f = 28х - площадь поперечного сечения ребра; Qx+dx - количество тепла, отдаваемое за единицу времени ребром в сечении "x+dx": Qx+dx dx +—dx dx 25(х + dx) = = 2?t5x— - 2A,8—dx - 2X5x- -dx - 2A,5 -dx2. dx dx dx2 dx2 Последний член этого уравнения является величиной второго порядка малости по сравнению с остальными, поэтому его можно не учитывать. Тогда полученное уравнение может быть записано следующим образом: Qx+dx = -2А,5х— - 2Хд— - 2A,5x- dx. (3.23) dx dx dx2 Количество тепла dQ, переданное лобовой и кормовой поверхностями элемента ребра (без учета боковых сторон) между сечениями "х" и "x+dx", омывающим его потоком воздуха может быть записано как: dQ = 2aJS(tB -1) dx = 4a(tB )-xdx. (3.24) После соответствующей подстановки (3.22), (3.23) и (3.24) в (3.21), получаем: -2Ш— - 2-X5 dx - 2/X5x- 4dx + 2?i5x— =4a(tB -1) xdx - dx / dx / dx2 / dx \VB ; После сокращения и приведения подобных членов мы получаем дифференциальное уравнение теплопроводности тонкого треугольного ребра с одномерным температурным полем: 2d2t dt 2 кг У ч Л х—- +/r— + m tB -1) = 0, (3.25) dx2 dx S 2 2аФ где m = параметр ребра; Ф и Б - коэффициенты, введенные для А,5Б учёта перфорации; t и х - температура и координата сечения ребра, отсчитываемая от вершины ребра.
Для приведения полученного уравнения (3.25 ) к стандартному виду, помножим обе его части на х и произведем замену переменной у = tB -1, тогда: dt dy d2t d2y J и - J dx dx dx2 dx2 В результате этого преобразования получаем модифицированное уравнение Бесселя [57, 58]: 2 d у dy 9 2 xz —J- + х- - nrxzy = 0, (3.26) dxz dx которое трансформируется в стандартную форму уравнения Бесселя с известным решением путем замены действительной переменной на мнимую imx. В результате получаем: о d v dv о Л —у + г\ --Л У = 0. (3.27) drf dr\ Общее решение уравнения имеет вид: у = C,I0(mx) + C2K0(mx), (3.28) где Io(mx) и Ko(mx) - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода (соответственно) нулевого порядка [57]; С1 и С2 - постоянные интегрирования, которые определяются из граничных условий: - при х = 0 (вершина треугольного ребра), dy/dx = 0 - при х = L/2 (основание ребра), t = t0 t0 - температура основания ребра. Дифференцируем уравнение (3.28): = С{- lo(mx) + С2- Ко(тх) = С тх) + С2К2(тх), (3.29) dl dx dx Ill где Ii(mx) и Ki(mx) - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода (соответственно) первого порядка.
Учитывая свойства этих функций при первом граничном условии (при х = 0, li(mx) = 0, Ki(mx) = oo, найдём из уравнения (3.29) одну из констант интегрирования: 0 = СіО + С2оо, отсюда С2 = 0.
Численное исследование теплообмена и течения газа в микроканалах различной формы
Проведенный анализ способов интенсификации теплообмена при кипении в условиях вынужденного течения в каналах различных типов с развитой поверхностью теплообмена позволяет выделить ряд факторов, благотворно воздействующих на интенсивность парообразования: - в каналах сложной формы появляются поперечные составляющие скорости, происходит дополнительное перемешивание потока, возникает вторичная циркуляция и различного рода возвратные течения; - стеснённые условия роста способствуют деформации паровых пузырьков, утончению микрослоя жидкости под ними, снижению термического сопротивления микрослоя, увеличению поверхности испарения слоя жидкости; - возможность сосуществования по длине ребра двух механизмов теплоотдачи - пузырькового и плёночного кипения, причём за счёт теплопроводности ребра тепло перетекает в зоны более интенсивного -пузырькового кипения, т.е. возникает вапотронный эффект; - движение потока по нормали к теплообменной поверхности 1111 обеспечивает лучшее её смачивание при натекании двухфазного потока; - наличие мелкопористой структуры способствует непрерывной подпитке жидкостью зоны активного парообразования за счёт капиллярных сил; - высокая степень оребрения способствует передаче через базовую поверхность больших тепловых потоков, чем в гладких каналах.
Все эти факторы способствуют увеличению интенсивности теплообмена в каналах сложной формы по сравнению с гладкими каналами. Проводившиеся экспериментальные исследования подтверждают это.
Анализ особенностей высококомпактных испарителей с различными эффективными поверхностями теплообмена и МТ позволяет предположить высокую интенсивность теплообмена при кипении в последних [62]. Среди основных факторов интенсификации теплообмена при кипении в аппарате матричного типа можно выделить следующие: - при выборе определенного расстояния между перфорированными пластинами реализуются оптимальные условия парообразования; - при натекании потока на перфорированную пластину под действием сил инерции происходит сепарация фаз и обеспечивается смачивание теплоотдающей поверхности жидкостью вплоть до самых высоких паросодержаний; - возможность совместного сосуществования по длине ребра двух различных механизмов кипения (плёночного и пузырькового), причём, благодаря теплопроводности ПП, осуществляется переток тепла в зоны с более интенсивным пузырьковым кипением; - -высокая степень оребрения теплопередающей поверхности позволяет передать через основание ребра тепловые потоки значительно превышающие (qV-p) для гладкой поверхности.
Всё выше сказанное определило цель исследований теплообмена в матричных теплообменниках при кипении теплоносителя: разработка инженерной методики расчёта интенсивности теплообмена и выработка рекомендаций по конструированию испарительных элементов с матричной поверхностью теплообмена для энергетических установок.
Основными задачами, которые необходимо решить в этом исследовании являются: - разработка методики экспериментального исследования процесса кипения на матричной теплообменной поверхности; - установление влияния на интенсивность теплообмена при кипении на матричной поверхности следующих факторов: плотности теплового потока q, массовой скорости потока т, паросодержания х, величины недогрева АТНГ до Ts; - получение расчётных соотношений для определения интенсивности теплообмена в различных режимах кипения: частичного, поверхностного, пузырькового, конвективного; - оценка значений плотности теплового потока, при которых на поверхности начинают проявляться кризисные явления; - оценка гидравлического сопротивления МТ при течении двухфазного потока; - анализ конструктивных, геометрических характеристик МТ с целью выработки рекомендаций по выбору геометрических параметров ПП для высокоэффективных испарителей.
Для реализации поставленных задач и цели исследования были разработаны и изготовлены два типа моделей МТ и экспериментальный стенд.
