Введение к работе
Актуальность работы. Обеспечение надёжной и эффективной работы энергетических установок и систем, включающих конвективные теплооб-менные аппараты, представляется перспективным в условиях растущего дефицита топливно-энергетических и сырьевых ресурсов.
Значительные металлоёмкость, затраты энергии на перемещение теплоносителей и обслуживание, а также проектно-конструкторские и производственные расходы требуют повышения эффективности теплообменных аппаратов.
Повышение эффективности теплоотдачи для широко применяемых поперечно обтекаемых трубчатых, а также компактных профильных пластинчатых поверхностей и создание на их основе современных и экономичных газо-газовых и газо-жидкостных теплообменных аппаратов является актуальной задачей.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение энергетической эффективности гладкотрубных и пластинчатых теплообменных аппаратов, работающих в условиях отрывных явлений в поперечном потоке газа. Она достигается как путём искусственной турбулизации потока за счёт введения стержневых, внутриканальных и поверхностных интенсифи-каторов, так и улучшением условий обтекания пучков труб и профильных элементов рельефа пластин с различной конфигурацией. В результате предложены уравнения подобия теплоотдачи и сопротивления для различных компоновок опытных конвективных поверхностей теплообмена.
Основными задачами при этом являются:
исследование влияния на эффективность пучков гладких и шероховатых труб одинакового и различных диаметров угла их ориентации относительно потока теплоносителя и определение его оптимального значения, соответствующего максимальному теплосъёму;
исследование влияния на эффективность симметричного коридорного пучка труб постоянного диаметра турбулизирующих цилиндрических стержней с разными схемами их размещения в межтрубных ячейках;
исследование и анализ влияния на эффективность симметричных коридорных пучков формы, геометрии и плотности компоновки труб переменного сечения;
исследование местной теплоотдачи и распределения коэффициента давления на поверхности пучков труб постоянного и переменного сечения и выявление особенностей механизма интенсификации теплообмена в условиях отрывных течений;
исследование и анализ влияния на эффективность пластинчатой поверхности с двухсторонними сфероидальными выступами и впадинами угла её ориентации относительно потока и обеспечение максимального теплосъёма;
исследование эффективности "нестандартных" компоновок профильной пластинчатой поверхности теплообмена (с промежуточными пластинами -турбулизаторами, с плоско-профильными теплоотдающими элементами, с профильными вставками-турбулизаторами в плоском гладком канале и др.);
- сопоставление и анализ энергетической эффективности исследованных
пучков и профилированных каналов.
Общая методика исследований. Решение поставленных задач основано на экспериментальных исследованиях конвективных поверхностей различной геометрии методом полного и локального (с использованием градиентных датчиков теплового потока) теплового моделирования и обобщении результатов в форме уравнений подобия.
Научная новизна. В работе впервые исследованы:
теплоаэродинамические характеристики поперечно обтекаемых пучков гладких и шероховатых труб одинакового диаметра и комбинированных пучков труб с разными диаметрами с различной ориентацией относительно потока, соответствующей постепенному переходу от коридорной к шахматной геометрии, наличие оптимальной ориентации поверхности;
особенности теплообмена и аэродинамики поперечно обтекаемых пучков гладких труб переменного сечения с различной конфигурацией (цилиндрической, конической, коническо-цилиндрической);
характеристики местной теплоотдачи в пучках гладких цилиндрических труб постоянного и переменного сечения с помощью градиентных датчиков теплового потока, а также распределение коэффициента давления;
влияние различных схем размещения турбулизирующих цилиндрических стержней в межтрубных ячейках симметричного коридорного пучка на теплоотдачу и аэродинамическое сопротивление;
теплоаэродинамические характеристики профилированных каналов пластинчатых теплообменников при различном расположении контактирующих сфероидальных выступов и впадин в зависимости от угла обтекания потоком теплоносителя;
теплоотдача и аэродинамическое сопротивление "нестандартных" компоновок профильной пластинчатой поверхности теплообмена (с промежуточными профильными пластинами-турбулизаторами, с плоскопрофильными теплоотдающими элементами, с профильными вставками-турбулизаторами в плоском гладком канале и др.).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Зависимость энергетической эффективности поперечно обтекаемых пучков гладких и шероховатых труб одинакового диаметра и комбинированных пучков гладких труб разных диаметров от угла ориентации относительно потока; условия максимального теплосъёма при заданных затратах мощности на перемещение теплоносителя.
-
Результаты исследования энергетической эффективности поперечно обтекаемых симметричных коридорных трубных пучков с различными схемами размещения цилиндрических турбулизирующих стержней в межтрубных ячейках.
-
Результаты исследования энергетической эффективности поперечно обтекаемых симметричных коридорных пучков труб переменного сечения с
различной конфигурацией (цилиндрической, конической, коническо-цилиндрической).
-
Зависимость энергетической эффективности профилированных каналов пластинчатых теплообменников с различным расположением контактирующих сфероидальных выступов и впадин от угла их ориентации относительно потока; условия максимального теплосъема при заданных затратах мощности на перемещение теплоносителя.
-
Результаты исследования энергетической эффективности "нестандартных" компоновок профильной поверхности теплообмена (с промежуточными профильными пластинами-турбулизаторами, с плоско-профильными теплоотдающими элементами, с профильными вставками-турбулизаторами в плоском гладком канале и др.).
Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием общепринятых методов теории подобия, сопоставлением полученных уравнений подобия с известными аналогами для тестовых условий, сопоставлением полученных зависимостей с результатами теоретических и экспериментальных исследований различных авторов и материалами специальной и справочной литературы; соответствием полученных результатов исследований существующим физическим представлениям о механизме переноса и путях интенсификации конвективного теплообмена.
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, выработке методологии; в изготовлении экспериментального стенда и опытных теплообменников, проведении экспериментальных исследований; в обработке, формулировке и обобщении опытных данных, а также в анализе и обсуждении полученных результатов.
Практическая значимость. Приведенные в работе результаты исследований и выведенные на их основе уравнения подобия для теплоотдачи и сопротивления трубчатой и пластинчатой поверхностей могут быть использованы при создании теплообменных аппаратов повышенной эффективности, позволят сэкономить металл и снизить энергозатраты.
Материалы и рекомендации работы используются при проектировании, производстве и модернизации трубчато-пластинчатых холодильников наддувочного воздуха и охладителей масла и воды для малооборотных судовых дизелей.
Апробация работы. Полученные результаты исследований и работа в целом докладывались и обсуждались на 3-й Международной научно-технической конференции "Проблемы повышения качества промышленной продукции» (г. Брянск, 1998 г.); Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности теплообменных процессов и систем" (г. Вологда, 1998 г.); XIII Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под рук. акад. РАН А.И.Леонтьева "Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (г. Санкт-Петербург, 2001 г.); 4-ой Международной научно-технической конференции "Качество машин" (г. Брянск, 2001 г.); III Российской национальной конференции по теплооб-
мену (г. Москва, 2002 г.); 5 Минском международном форуме по тепло - и массообмену (г. Минск, 2004 г.); XV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под рук. акад. РАН А.И.Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (г. Калуга, 2005 г.); IV Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 2006 г.); XVI Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под рук. акад. РАН А.И.Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (г. Санкт-Петербург, 2007 г.); 6 Минском международном форуме по тепло - и массообмену (г. Минск, 2008 г.); XVII Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под рук. акад. РАН А.И.Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях" (г. Жуковский, 2009 г.); научных семинарах кафедры "Теоретические основы теплотехники" ГОУ ВПО "СПбГПУ", 2000, 2006, 2007, 2008 г г., научном семинаре кафедр "Теоретические основы теплотехники" и "Промышленная теплоэнергетика" ГОУ ВПО "СПбГПУ", 2009 г..
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 1 монография, 7 статей в центральных научных журналах (из перечня ВАК), 4 патента РФ на изобретение, 5 статей в сборниках научных трудов, 2 тезисов и 9 докладов в трудах российских и международных конференций.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 212 наименований. Объём диссертации составляет 380 с, включая 172 рисунка и 18 таблиц.
