Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время в судовых энергетических установках попользуются как трубчатые, так и пластинчатые теплообмен-ные аппараты. Достоинствами пластинчатых теплообменников являются их большая компактность и высокая тепловая эффективность. Наибольшее распространение получили пластинчатые теплообменники зарубежного производства, в частности, теплообменники фирмы «ALFA LAVAL». Это пластинчатые теплообменники разборного типа, с параллельной схемой тока и одинаковой конфигурацией каналов для обоих теплоносителей. Теплообменники аналогичной конструкции отечественного' производства оказались недостаточно надежными из-за плохого качества уплотняющих прокладок между пластинами. Тем не менее, в России имеется положительный опыт промышленного производства неразборных пластинчатых теплообменников модульного типа, конструкция которых исключает необходимость использования дорогостоящих и ненадежных прокладок. Такие теплообменники используются, в частности, в качестве охладителей наддувочного' воздуха дизелей выпускаемых заводом «Звезда». Отличительной осо-ностью этих теплообменников является неодинаковая форма каналов для теплоносителей по разные стороны пластин. С одной стороны пластины имеют волноообразную форму, с другой — двуугольную фо,р:му (см. рис. 1). Такая .конструкция .позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи со стороны потока с большим термическим сопротивлением, направляя его в волнообразные каналы, за счет искусственной тур-булизации потока. При этом, в отличие от теплообменников «ALFA LAVAL», второй поток, с меньшим термическим сопротивлением не подвергается искусственной турбулпзации, т. к. направляется в двуугольные каналы, в результате чего снижаются энергетические затраты на прокачивание одного из теплоносителей. Перпендикулярное расположение каналов обеспечивает перекрестную схему тока, что упрощает организацию подвода и отвода теплоносителей по сравнению с параллельной схемой'тока. Кроме того, теплообменники «ALFA LAVAL» работают, как правило, с парами теплоносителей типа жидкость — жидкость, тогда как конструкция отечественных теплообменников обеспечивает эффективную работу с теплоносителями, находящимися как в одинаковом, так и в разном агрегатном состоянии, поэтому такие теплообменники мо-
гут найти широкое применение в судовых установках различного назначения, в частности, они могут использоваться в качестве охладителей и подогревателей воздуха, масла, топлива, воды, а также в качестве испарителей и конденсаторов. Освоенная технологическая база и широкие возможности применяя обеспечивают привлекательность и перспективность отечественных .пластинчатых теплообменников с волнообразными и двуугольными каналами.
До сих лор такие теплообменники применялись только в качестве охладителей наддувочного воздуха дизелей. При использовании других видов теплоносителей существующие геометрические размеры гофрированных пластин могут оказаться неоптимальними. Поэтому для проектирования теплообменников аналогичной конструкции, но другого назначения, необходимо исследовать влияние геометрических характеристик .пластин на эффективность теплообмена и величину гидравлического сопротивления. Ввиду дороговизны изготовления штаміпов, необходимых для изготовления конструктивных вариантов гофрированных пластин, в настоящее время провести такое исследование возможно только расчетно-теоретическим путем. Таким образом, имеется необходимость математического моделирования течения и теплоотдачи потоков в каналах пластинчатых теплообменников.
Для создания типораамерных рядов судовых пластинчатых теплообменников необходимо наличие надежного метода расчета, учитывающего особенности конструкции теплообменника и позволяющего проводить расчеты теплообменников с различными парами теплоносителей. Рост стоимости цветных металлов и сплавов делает экономически невыгодным использование больших коэффициентов запаса при проектировании теплообменников. Уменьшение коэффициента запаса без ущерба для надежности аппарата возможно только за счет повышения точности тепловых и гидравлических расчетов.
Для использования широких возможностей, предоставляемых современной вычислительной техникой, необходимо создание методики' расчета ориентированной на использование комшьютера.
Следовательно, актуальной является задача создания методики тепловых и гидравлических расчетов пластинчатых теплообменников с волнообразными и двуугольными каналами, учитывающей конструктивные особенности теплообменников, позволяющей проводить расчеты для различных пар теплоносителей, обеспечивающей достаточную точность рас-
четов и ориентированной на использование современной вычислительной техники.
Цель работы: разработка методик и создание соответствующих компьютерных программ для выполнения проектного и проверочного расчетов пластинчатых теплообменников с волнообразными и двуугольными каналами с достаточной для инженерных целей точностью.
Задачи исследования. В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов расчета пластинчатых теплообменников и способов расчета теплоотдачи и сопротивления в каналах сложной формы.
"2. Провести аналитическое исследование течения и теплоотдачи потока в волнообразных каналах.
-
Исследовать влияние геометрических характеристик пластин на теплоотдачу и сопротивление потока в волнообразных каналах.
-
Экспериментально определить средние значения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления в волнообразных каналах натурных образцов теплообменников и получить обобщенные зависимости для их расчета.
-
Разработать методики проектного и поверочного расчетов пластинчатых теплообменников с волнообразными и двуугольными каналами, в том числе методику уточненного поверочного расчета.
-
Создать соответствующие компьютерные программы проектного и поверочного расчетов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
получено приближенное аналитическое решение задачи о КОНВЄКПІВНО.М теплообмене двумерного вязкого потока в каналах волнообразной формы путем решения полной системы уравнений Навье-Стокса и переноса энергии (с учетом дис-сипативиой функции) без использования «приближений пограничного слоя»;
аналитическим путем получено количественное соотношение между геометрическими характеристиками гофрированных пластин, определяющее условие возникновения эффекта искусственной турбулизащш потока при низких числах Рей-нольдса;
—аналитическим путем получены выражения для расчета локальных и средних коэффициентов теплоотдачи в волнообразных каналах при низких числах Рейнольдса;
получены аналитические выражения для расчета местных и средних касательных напряжений при движении потока в волнообразных каналах при низких числах Рейнольдса;
экспериментально получены обобщающие зависимости для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления <при течении масла в волнообразных каналах натурных образцов теплообменников (в диапазоне чисел Рейнольдса от 30 до 300);
. — разработаны методики проектного и поверочного расчетов пластинчатых теплообменников с волнообразными и двуугольными каналами, в том числе методика уточненного поверочного расчета, учитывающая изменение свойств теплоносителей и температурного напора в теплообменнике;
— разработаны компьютерные программы для выполнения
проектного и поверочного (в том числе уточненного повероч
ного) расчетов пластинчатых теплообменников с волнообраз
ными и двуугольными каналами.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:
расчетнымлутем оптимизировать геометрические характеристики гофрированных ,пластин;
'проводить проектные и поверочные (в том числе уточненные поверочные) расчеты пластинчатых теплообменников с волнообразными и двуугольными каналами с использованием персональных компьютеров.
Апробация работы. Основные результаты исследований, составляющих основу диссертации докладывались на «Конференции по судостроению, судоходству и разработке шельфа» в раміках международной выставки «Нева-95» и на «Юбилейной научно-технической конференции профессорского состава, научных сотрудников и курсантов» ГМА им. адм. С. О. Макарова.
Публикации: Некоторые материалы диссертации опубликованы в тпрех печатных работах.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, опиока литературы из 35 наименований, общим объемом 153 стр., включая 16 рис. и 9
таблиц.
