Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в условиях мирового энергетического кризиса остро стоит проблема повышения эффективности тепловых машин и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, связанная со значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов природных ресурсов. Энергосбережение, экономия топлива и других природных ресурсов, совершенствование энергетических технологий являются приоритетными задачами развития экономики страны.
На сегодняшний день одним из самых дорогих видов энергии является тепловая. Её высокая стоимость определяется как самим ее производством (низкие КПД теплогенерирующих установок, рост цен на топливо, значительные издержки при производстве), так и эффективностью её передачи и использования. Реализованные схемы теплообмена в теплообменных устройствах традиционных конструкций характеризуются, как правило, низкими значениями энергетической эффективности, что отрицательно сказывается на технических характеристиках установки в целом, вплоть до полной потери выигрыша в КПД от установки теплообменника.
Из анализа обзора литературы установлено, что при создании высокоэффективных теплообменных устройств, реализующих вынужденное течение теплоносителей, наиболее перспективным способом интенсификации теплообмена является поверхностная интенсификация, в том числе с помощью систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок.
Цель работы: разработка рекомендаций по определению режимов обтекания и расчету гидросопротивления и теплоотдачи, необходимых для создания теплогидравлически эффективного теплообменного оборудования на основе выявленных механизмов интенсификации теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками различной формы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Установить границы режимов течения в каналах с интенсификаторами теплообмена в виде сферических, цилиндрических и траншейных выемок.
2. Выявить и математически описать влияние основных режимных параметров и геометрии интенсификаторов на теплоотдачу и гидросопротивление в каналах с цилиндрическими выемками.
3. На основе экспериментальных данных дать основы физических моделей течения и теплообмена в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками.
4. Провести сравнительный анализ интенсификаторов теплоотдачи по их теплогидравлической эффективности; выявить наиболее перспективные интенсификаторы и дать рекомендации по их оптимальным параметрам и рациональным режимам эксплуатации.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:
1. Впервые получена карта режимов течения в каналах с цилиндрическими и траншейными выемками. Для сферических выемок ранее полученная карта режимов для воздуха дополнена данными для воды.
2. Установлена общность процессов переноса при обтекании потоком теплоносителя систем сферических, цилиндрических и траншейных выемок как элементов дискретной шероховатости. Физическая модель течения и теплообмена в каналах со сферическими выемками распространена на системы цилиндрических и траншейных выемок.
3. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с цилиндрическими выемками при турбулентном режиме течения.
4. Разработаны рекомендации для инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде цилиндрических и траншейных выемок.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются соответствующей точностью и тарировкой всех измерительных систем, выполнением ряда тестовых опытов и хорошим согласованием их результатов с работами других исследователей, использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств для обработки данных, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных, соответствием полученных результатов физическим представлениям о процессах переноса в данном классе технических способов повышения тепловой эффективности теплообменного оборудования.
Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют: на основе визуализации обтекания выемок различной формы и разработанных карт режимов оптимизировать аэродинамические характеристики тел обтекания, в том числе транспортных средств, а также определять режимы обтекания, на основе которых производится выбор расчетных формул для гидросопротивления и теплоотдачи; разрабатывать высокоэффективное теплообменное оборудование и системы охлаждения для энергетики, машиностроения, химической и пищевой промышленности и т.д. на основе полученных в работе зависимостей для расчета гидросопротивления и теплоотдачи в каналах и на поверхностях с выемками; повысить тепловую эффективность оборудования в 1,1-1,8 раза при соизмеримом росте гидросопротивления за счет применения исследованных в работе интенсификаторов.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в методиках расчета систем охлаждения в ОАО «Казанское ОКБ «Союз» (Казань), при исследовании аэродинамики транспортных средств в ООО «Энергия и эффективность» (Казань), при создании нового теплообменного оборудования в ООО «НПП «Тринити» (Казань). Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам РФФИ (№№ 09-08-00224-а, 10-08-00110-а, 11-08-00509-а), программы Министерства образования и науки РФ (госконтракты № 2.1.2.5495, №2.1.2.12279, 14.740.11.0524) и др. и могут быть использованы в ОАО «КЭР-Холдинг», ОАО «КАМАЗ» и учебном процессе.
Апробация работы. Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Жуковский, 2009, Звенигород, 2011), V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010), Международной молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2009–2011); Международной школе-семинаре «Актуальные проблемы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 2010); Межвузовском научно-практическом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2011), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2009), IV и V Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2009, 2011), VI Международной научно-технической конференции «Авиация, наземный транспорт и энергетика» (Казань, 2011), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КНИТУ–КАИ (2007–2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, включая 7 статей в центральных российских изданиях (из списка ВАК РФ), 13 тезисов и материалов докладов и 1 статья в сборнике.
Личный вклад автора заключается в постановке общей цели и конкретных задач исследования, выполнении основной части экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, разработке рекомендаций по повышению теплогидравлической эффективности теплообменного оборудования.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, насчитывающего 109 наименований. Объем диссертации составляет 195 страниц машинописного текста, включая 129 рисунков, 6 таблиц.
