Введение к работе
Актуальность темы. Теплообменные аппараты и устройства широко применяются в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, холодильной и других отраслях промышленности.
Во многих теплообменниках интенсивность конвективного теплообмена со стороны теплоносителей существенно различна, например, в газожидкостных аппаратах со стороны газа она составляет десятки, а со стороны жидкости - сотни и даже тысячи Вт/м2 К. Поэтому возникает задача интенсификации теплообмена со стороны газообразного теплоносителя.
Одним из известних способов интенсификации конвективного теплообмена является использование криволинейных (спиральных) поверхностей теплообмена. Воздействие центробежных сил приводит к более ранней потери устойчивости потока и переходу к турбулентному течению в пограничном слое. Интенсивность теплообмена в таком канале рассчитывается по формулам для прямого канала с учетом поправочного коэффициента. Одним из первых формулу для поправочного коэффициента получил"экспериментально Еш-ке и опубликовал ее еще в 1925 году.
Другим способом интенсификации конвективного теплообмена является использование кольцевых турбулизаторов. Исследованию конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления в прямолинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ Калинина Э.К., Дрейцера Г.А, Ярхо С.А., Исаева С.А., Леонтьева А.И., Олимпиева В.В., Кикнадзе Г.И. и др. Произведено обобщение большого количества данных и получены эмпирические соотношения, которые приведены в монографии Калинина Э.К., Дрейцера Г. А. и др. "Эффективные поверхности теплообмена".
Вместе с тем существует ограниченное количество работ, в которых два эти способа интенсификации используются одновременно, а известные эмпирические соотношения для кольцевого канала с кольцевыми турбулизаторами носят частный характер. Поэтому продолжение теоретических и экспериментальных исследований теплообмена и гидравлического сопротивления таких каналов и разработка методики их расчета являются актуальными.
Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический универ-
ситет» "Физико-технические проблемы энергетики" по теме ГБ 2007.12 (№ Гос. регистрации 01.2.00409970) и при поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, ПС № 14.740.11.0152 от 13 сентября 2010 г.
Цель работы - интенсификация конвективного теплообмена за счет использования криволинейных каналов с кольцевыми турбули-заторами и разработка методики расчета таких каналов.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
разработка математической модели, позволяющей рассчитывать поля температур, давлений и скоростей в исследуемых каналах для определения интенсивности теплообмена и гидравлического сопротивления;
-
численная реализация математической модели с использованием програмного комплекса ANSYS-CFX и получение эмпирических зависимостей для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления;
" 3) экспериментальные исследования гидродинамики и теплоотдачи в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами, определение влияния режимных параметров на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу;
-
оптимизация геометрических и режимных параметров криволинейных каналов с кольцевыми турбулизаторами;
-
разработка методики инженерного расчета теплообменников с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами.
Научная новизна работы;
-
Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать поля температур, давлении и скорости в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами, отличающаяся учётом их геометрических размеров.
-
Получены новые эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления и коэффициентов теплоотдачи в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами.
-
Проведены экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами, подтверждающие адекватность разработанной математической модели.
-
Даны рекомендации по определению оптимальных геометрических размеров криволинейного канала с кольцевыми турбулизато-рами.
-
Разработана методика расчета теплообменников с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми тур-булизаторами.
Практическая значимость работы. Полученные в работе эмпирические соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а также рекомендации по определению оптимальных геометрических размеров криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами явились научной базой для разработки методики инженерного расчета теплообменного аппарата с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами. Полученные результаты могут использоваться на предприятиях при проектировании, модернизации и исследовании теплообменной аппаратуры, а также в учебном процессе.
Достоверность результатов. Потверждается использованием фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена при разработке математической модели, современными надежными и эффективными методиками теоретических и экспериментальных исследований, а также качественным и количественным согласованием результатов моделирования с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 13-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов "Энергетики и металлурги настоящему и будущему России" (Магнитогорск, 2012); XIII и XIV Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов "Авиакосмические технологии" (Воронеж, 2012, 2013); научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергосбережения" (Воронеж, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце авторе-
ферата, лично соискателю принадлежат: [1,2,6,7,8] - разработка и реализация математических моделей, получение эмпирических критериальных зависимостей; [3,9] - разработка экспериментальной установки, проведение экспериментов, обработка полученных данных; [4] - выбор и обоснование целевой функции, выполнение вариативных расчетов, анализ полученных результатов.
Подано две заявки на изобретение № 2012139996 "Теплообмен-ный элемент" и № 2012139997 "Способ повышения эффективности теплообменного элемента". Зарегистрировано в ФИПС.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, вьюодов, приложение, списка литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 133 страницах, содержит 67 рисунков и 14 таблиц.
