Введение к работе
Актуальность работы. Одним из эффективных средств интенсификации теплообмена являются пористые материалы, нашедшие применение в системах охлаждения теплонапряженных узлов ракетных и газотурбинных двигателей, ядерных реакторов, зеркал мощных лазеров и др. Тем не менее, пористые материалы пока не нашли широкого применения в качестве интенсификаторов теплообмена в теплообменниках общепромышленного назначения. Одной из причин этого являются большие расхождения литературных данных о теплогидродинамических характеристиках пористых материалов. Расхождения обусловлены большим разнообразием структур пористых материалов и характеризующих их параметров, использованием разных определяющих параметров пористости, сложностью математического описания тепловых процессов в пористой среде, расхождением методик исследования характеристик. Наибольшего внимания из пористых сред, применение которых возможно в теплообменных аппаратах промышленного назначения, заслуживают высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ). Однако, недостаточно полная изученность их геометрических и теплофизических свойств и, как следствие, – отсутствие методики и результатов исследования теплогидродинамических характеристик на основе адекватных геометрических и теплофизических моделей ВПЯМ, пока не позволяют применять ВПЯМ достаточно широко в качестве интенсифицирующих элементов в этих аппаратах.
Цель работы: получить универсальные критериальные уравнения, обобщающие теплообмен и гидродинамическое сопротивление в ВПЯМ с различными геометрическими характеристиками.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
построить математическую модель геометрической структуры, и разработать методику оценки геометрических характеристик ВПЯМ;
построить модель теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в ВПЯМ;
построить уточненную математическую модель тепловых процессов в цилиндрическом пористом теле, нагреваемом от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем;
разработать методику исследования теплоотдачи в пористом цилиндре, охлаждаемом однофазным теплоносителем, на базе построенных математических моделей геометрической структуры, теплофизических свойств и тепловых процессов;
спроектировать, изготовить и отладить экспериментальный стенд для исследования теплогидродинамических характеристик ВПЯМ;
провести экспериментальные исследования нескольких образцов ВПЯМ;
произвести поиск группы геометрических параметров пористости, наилучшим образом обобщающей полученные результаты по теплоотдаче и сопротивлению всех исследованных образцов;
обобщить полученные результаты исследований теплоотдачи и сопротивления ВПЯМ универсальными критериальными уравнениями.
Научная новизна:
построена геометрическая модель ВПЯМ;
разработана модель теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в ВПЯМ;
аналитически решена сопряженная двумерная стационарная задача теплообмена каркаса цилиндрического пористого тела, нагреваемого от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем;
выявлена автомодельность теплосъема пористого тела при большой длине тела;
создана методика исследования теплоотдачи в пористом цилиндре;
получены экспериментально установленные универсальные закономерности по теплоотдаче и сопротивлению образцов ВПЯМ.
Методы исследования:
- геометрический метод определения пористости, просветности, удельной поверхности, эквивалентных диаметров каналов и перемычек ВПЯМ;
- метод конечных интегральных преобразований Фурье-Ханкеля для аналитического решения краевых задач теплопроводности каркаса и потока теплоносителя;
- метод наименьших квадратов для аппроксимации зависимости опытных значений температур поверхности каркаса от продольной координаты;
- метод Гаусса с выбором главного элемента для получения обобщенных критериальных уравнений теплоотдачи и гидродинамического сопротивления исследованных образцов ВПЯМ;
- экспериментальный метод исследования теплоотдачи и гидродинамического сопротивления пористого цилиндра.
Достоверность и обоснованность результатов. Адекватность геометрической и теплофизической моделей и модели тепловых процессов в высокопористых средах проверена путем сопоставления распределения по радиусу расчетных и опытных значений температур теплоносителя и применением аттестованной измерительной аппаратуры. Адекватность методики исследования теплогидродинамических характеристик проверена на тестовой задаче и подтверждена удовлетворительным согласием полученных результатов по теплоотдаче и сопротивлению ВПЯМ с литературными данными и оценкой погрешностей измерения.
Практическая ценность. Разработанные модели геометрической структуры ВПЯМ, теплофизических свойств каркаса и теплоносителя, тепловых процессов в пористых цилиндрах, охлаждаемых (нагреваемых) однофазным теплоносителем, позволяют выбирать пористую структуру с требуемыми характеристиками для теплообменной аппаратуры.
Результаты работы используются в научных исследованиях Академэнерго КазНЦ РАН.
Полученные результаты по теплоотдаче и гидродинамическому сопротивлению ВПЯМ предлагаются к использованию для расчета и проектирования различных теплообменных систем в ЗАО НИИ «Турбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», КГТУ им. А.Н. Туполева, КГЭУ и др.
Автор защищает: геометрическую модель ВПЯМ; модель теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в ВПЯМ; аналитическое решение сопряженной двумерной стационарной задачи теплообмена каркаса цилиндрического пористого тела, нагреваемого от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем; методику исследования теплоотдачи в пористом цилиндре, нагреваемом от внешнего нагревателя; результаты экспериментальных исследований теплоотдачи и гидродинамического сопротивления ВПЯМ.
Личное участие. Основные результаты работы получены автором лично под руководством научного руководителя.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на научных семинарах, проводимых в Исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН в г. Казань, 2009-2010г.; на XVII-й Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» в г. Казань, 26-28 мая 2009 г.; на X Всероссийском молодёжном школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС) в г. Екатеринбург, 9-15 ноября 2009г.; на X Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» в г. Казань, 1-3 декабря 2009г.; на аспирантско-магистерском семинаре, посвященном Дню энергетика, секция АТПП, направление теплоэнергетика в г. Казань, КГЭУ, 2009г.; на итоговой научной конференции за 2009 год Казанского научного центра РАН в г. Казань, 2010.; на V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» в г. Казань, 28–29 апреля 2010г.; на VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова в г. Казань, 15-17 сентября 2010г.; на пятой Российской национальной конференции по теплообмену РНКТ-5. Москва, 25-29 октября 2010г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 120 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Рисунков – 44, таблиц - 7, библиографический список содержит 85 наименований.
