Содержание к диссертации
Введение
1 Пористые теплообменные элементы в системах тепловой защиты. выводы и задачи исследования 10
1.1 Методы защиты теплонапряженных поверхностей от действия высокотемпературного теплового потока 10
1.2 Особенности конструктивного решения теплозащитных систем с использованием пористых теплообменных элементов 16
1.3 Обзор подходов к моделированию процессов фильтрации и теплообмена в пористых теплообменных элементах 20
1.4 Выводы и задачи исследования 43
2 Математическое моделирование гидродинамики течения охладителя в птэ с учетом нестационарных режимов работы систем охлаждения 45
2.1 Постановка задачи 45
2.2 Численное решение задачи в областях с прямолинейными границами 49
2.3 Численное решение задачи в области с криволинейной границей 52
2.4 Методика расчета и вычислительный эксперимент 59
3 Математическое моделирование нестационарного теплообмена в птэ при двумерной фильтрации охладителя 75
3.1 Постановка задачи 75
3.2 Численное решение задачи в области с криволинейной границей 80
3.3 Методика расчета и вычислительный эксперимент 83
4 Экспериментальные исследования тепломассопереноса в птэ со сложной границей 96
4.1 Описание экспериментальной установки для исследования гидродинамики течения охладителя в ПТЭ 96
4.2 Методика проведения эксперимента и обработка опытных данных 105
4.3 Описание экспериментальной установки для исследования процессов теплообмена в ПТЭ 107
4.4 Основные результаты экспериментальных исследований тепломассопереноса в ПТЭ 110
5 Практическое использование результатов диссертационной работы при экспериментальных исследованиях плазмотрона 119
5.1 Описание экспериментальных моделей 119
5.2 Опытно-промышленная установка для исследования теплообмена в ПТЭ 120
5.2.1 Описание традиционной системы охлаждения 120
5.2.2 Описание опытно-промышленной установки 122
5.2.3 Описание системы охлаждения с использованием систем с развитой поверхностью 128
5.2.4 Проведение тепловых испытаний 130
5.3 Практическое применение системы пористого охлаждения 134
Основные результаты работы 136
- Особенности конструктивного решения теплозащитных систем с использованием пористых теплообменных элементов
- Численное решение задачи в областях с прямолинейными границами
- Методика расчета и вычислительный эксперимент
- Описание экспериментальной установки для исследования процессов теплообмена в ПТЭ
Введение к работе
Актуальность темы. Основные тенденции развития теплоэнергетики, с одной стороны, характеризуются применением высококалорийных топливных компонентов, таких как метан, водород, кислород, с другой стороны - с интенсификацией процессов в энергетических установках. Все это связано с повышением тепловых нагрузок на различные элементы энергетических систем. В связи с этим важной проблемой является обеспечение надежного охлаждения теплонапряженных узлов энергоустановок при их функционировании. Эффективным методом тепловой защиты является охлаждение на базе пористых теплообменных элементов (ПТЭ) с применением различного рода турбулизирующих перегородок. В данных элементах в общем случае имеет место трехмерное нелинейное течение охладителя, которое в настоящее время мало исследовано вблизи фаниц сложной формы реальных поверхностей теплообмена.
Кроме того, известные методы расчета пористого охлаждения, как правило, характеризуются стационарными условиями, тогда как системы охлаждения на основе ПТЭ функционируют в условиях нестационарных тепловых нафузок, что требует адекватного анализа нестационарных процессов тепломассопереноса.
Таким образом, исследование нестационарных процессов тепломассопереноса в системах пористого охлаждения при нелинейном течении охладителя является одной из актуальных научно-технических задач.
Данная диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления «Физико-технические проблемы энергетики и экологии», раздел «Моделирование теплообмена в ПТЭ с криволинейными фаницами» ГБ 04.12 per. № 01.2.00 409970, и в соответствии с ведомственной научной профаммой «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005 год, проект НТП 3/05 «Моделирование и разработка пористых систем тепловой защиты устройств управления тепловыми процессами» per. № 0120.0 505528.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и исследование математических моделей нестационарных процессов тепломассопереноса в системах пористого охлаждения для повышения эффективности их работы.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
разработка математической модели нелинейной фильтрации в ПТЭ при однофазном течении охладителя;
численное моделирование нестационарной фильтрации в ПТЭ с криволинейными фаницами и интенсифицирующими перегородками;
разработка математической модели нестационарного двумерного теплопереноса в ПТЭ при нелинейном однофазном тачеиииохладителя;
ЕИБЛИОТЕКА |
численное моделирование нестационарного теплового состояния ПТЭ сложной формы с интенсифицирующими перегородками при локальном тепловом равновесии;
экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена охладителя в ПТЭ с криволинейными границами, а также разработка компактного теплообменного аппарата с ПТЭ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы математического и экспериментального моделирования.
Научная новизна.
-
Результаты численного моделирования нестационарной фильтрации в ПТЭ различных конфигураций, отличающегося учетом криволинейных границ.
-
Численное моделирование нестационарного теплообмена в условиях локального теплового равновесия в ПТЭ, отличающееся учетом криволи-нейности границ и процесса нагрева охладителя.
-
Методика расчета процессов тепломассопереноса для широкого класса ПТЭ, учитывающая нелинейность процесса фильтрации.
-
Система пористого охлаждения для тепловой защиты тегоюнапря-женных элементов, позволяющая на 30% повысить эффективность работы энергетических установок.
Практическая значимость работы. Разработана методика численного расчета гидравлических и тепловых характеристик ПТЭ, которая позволяет прогнозировать такие нежелательные явления, как недопустимый по техническим характеристикам разогрев теплонапряженных элементов энергетических устройств.
Разработаны прикладные программы, реализующие методики расчетов гидравлических и тепловых характеристик и параметров процессов фильтрации при движении различных охладителей в ПТЭ, позволяющие повысить эффективность и безопасность энергетических установок.
Исходя из полученных результатов и экспериментальных исследований, даны практические рекомендации для создания новых теплозащитных устройств на основе ПТЭ. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО "ВЭКС-Энерго" (г. Воронеж).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Третьей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002); XXX Гагаринских чтениях (Москва, 2004); V Международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2004); V Международной теп-лофизической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (Тамбов, 2004); XIV и XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Ры-
(Рыбинск, 2004; Калуга, 2005), а также на открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов и аспирантов в рамках основных научных направлений ВГТУ, по итогам которого был получен диплом победителя.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Шесть статей [1-6] опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российской Федерации и рекомендованных ВАК для докторских диссертаций. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: [7] - разработка математической модели системы пористого охлаждения; [8] - обоснование выбора и построение численной схемы решения с привлечением разностной схемы Мак-Кормака «предиктор-корректор»; [9, 10] - оптимизация пористого компактного теп-лообменного аппарата при различных режимах его работы; [11, 2, 5, 12] -конфигурирование и обработка опытных данных в системе Scada; [1,6]-разработка алгоритма и численная реализация для определения поля давления в пористом элементе; [13, 14, 3] - вывод дискретизированных уравнений для определения поля температур с учетом криволинейности внешних границ; [15, 4] - экспериментальное исследование процесса фильтрации в пористом элементе.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с основными результатами и выводами, изложенными на 177 страницах, библиографического списка из 151 наименования, 3 приложений, содержит 86 рисунков и 3 таблицы.
Особенности конструктивного решения теплозащитных систем с использованием пористых теплообменных элементов
Пористый теплообменный элемент (ПТЭ) - устройство, в котором осуществляется тепло- и массообмеп между проницаемой матрицей и потоком внутри нее. При этом теплоноситель может претерпевать фазовые и химические превращения. Однако основным для характеристики ПТЭ служит способ подвода теплоты. В настоящее время по способу подвода теплоты все ПТЭ форсированного режима работы делят на следующие основные типы [3]: 1. Элементы транспирационного охлаждения - подвод теплоты q конвекцией или излучением к внешней поверхности непрозрачной пористой стенки. Охладитель с удельным массовым расходом G движется навстречу и поглощает подводимый тепловой поток; 2. Элементы с объемным тепловыделением qv внутри проницаемого материала, которое может иметь различную физическую природу (омический нагрев, деление ядерного топливного материала и т.д.). Направление движения теплоносителя может как совпадать, так и быть противоположным лучистому и радиационному потоку; 3. ПТЭ с подводом (отводом) теплоты внутрь пористого материала теплопроводностью от имеющей с ним идеальной тепловой контакт герметичной нагреваемой (охлаждаемой) поверхности; 4. Регенеративные ПТЭ с периодическим нагревом. Способ транспирационного охлаждения элементов конструкций, на которые воздействуют внешние тепловые конвективные и лучистые потоки высокой плотности, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с другими видами тепловой защиты: а) высокой эффективностью использования охладителя; б) контролируемым уменьшением внешнего конвективного теплового потока, достигающего поверхности за счет регулируемого вдува охладителя; в) снижением внешнего лучистого теплового потока при подаче газо взвеси с твердыми частицами, а также луче поглощающих газа или паров; г) отсутствием ограничений по величине внешнего теплового потока при сохранении неизменности формы и целостности охлаждаемой поверхности. Указанные свойства обеспечили широкое применение этого метода: охлаждение камер сгорания и сопел реактивных двигателей, лопаток газовых турбин, компактных электронных систем и др. Транспирационное охлаждение (метод активной теплозащиты) в некоторых случаях становится более предпочтительным, чем методы пассивной защиты, о которых говорилось выше.
Существуют варианты использования пористого охлаждения критической части сопла (рис. 1.6) [12-15]. В данном случае тепло от стенки передается теплопроводностью через каркас внутрь проницаемой матрицы и затем поглощается за счет интенсивного внутрипорового теплообмена. При этом пористый материал должен иметь высокий коэффициент теплопроводности и идеальный тепловой и механический контакт со стенкой. Этот метод позволяет с помощью однофазного охладителя охлаждать непроницаемую сплошную стенку, подверженную воздействию высоких тепловых потоков. Данный способ характеризуется высокими энергетическими затратами на прокачку охладителя. Использование межканальной транспирации позволяет охлаждать протяженные тракты без увеличения необходимого напора на прокачку охладителя (рис. 1.7) [16-19]. Теплопроводные пористые среды позволяют отводить большие тепловые потоки при высоких коэффициентах теплоотдачи. Стремление оптимизировать процесс отвода тепла, повысить надежность тепловой защиты труднодоступных электронных компонент управления в производстве заставило заняться всесторонним изучением процессов фильтрации и те пломассо пере носа в пористых средах. Успешное решение столь сложных и разносторонне практических задач теплообмена должно опираться на глубокие знания гидродинамики и теплообмена в пористых средах. В работе [28] рассматривается подсеточное моделирование фильтрационного течения жидкости в неоднородной пористой среде, подчиняющееся закону Дарси u = s(x)Vp, где є(х) - коэффициент проницаемости. С использованием гипотезы масштабного подобия получено выражение для эффективного коэффициента проницаемости для крупномасштабной компоненты течения В [29] получены точные решения трех задач, в которых использованы уравнения фильтрации Бринкмана: о ламинарном течении жидкости между параллельными плоскими стенками одна из которых твердая, а другая - плоский слой насыщенной пористой среды; о движении плоского пористого слоя между параллельными слоями вязкой жидкости; о ламинарном течении жидкости в цилиндрическом канале, ограниченном кольцевым пористым слоем. Сравнение решения первой задачи показывает, что уравнение Бринкмана может быть использовано для описания фильтрации жидкости в высокопористых средах. Однако с уменьшением пористости оно приводит к заниженным по сравнению с экспериментальными данными значениям скорости фильтрации. Авторами [30] доказаны теоремы существования решений задач нелинейной безнапорной фильтрации жидкости в областях со сложной геометрией заданных участков границы. В работе рассмотрен процесс стационарной нелинейной фильтрации жидкости как в однородной, так и в неоднородной пористой среде, который описывается эллиптической системой уравнений, решаемой аналитически с помощью квазиконформных отображений.
Приложением построенной теории является конструирование подземного контура гидротехнического сооружения по заданным на нем фильтрационным характеристикам. В работе [31] предложена комплексная модель, сочетающая в себе макроскопическое описание процесса фильтрации посредством уравнений механики сплошной среды и решеточное моделирование осаждения частиц на микроуровне, описываемая системой уравнений с - концентрация. Моделирование осаждения частиц при фильтрации взвесей и эмульсий позволяет адекватно предсказывать изменение основных характеристик процесса, таких как проницаемость среды и концентрация осажденных частиц. Известна работа по исследованию фильтрационной конвекции [32]. В ней рассмотрена плоская задача для контейнеров прямоугольного сечения, заполненных пористой средой. На основе одновременного существования бесконечного числа стационарных режимов и с использованием спектрально-разностного метода изучено развитие семейств стационарных конвективных режимов с момента возникновения неустойчивости на первичном семействе до момента столкновения семейств при различных отношениях относительной высоты р -Ь/а 1, где b — высота контейнера; а — ширина контейнера. Найдены критические значения фильтрационного числа Рэлея при котором на первичном семействе возникает неустойчивость Экспериментальное исследование вытеснения вязких жидкостей из пористых сред, представленное в работе [33] посвящено наблюдению за течением после прорыва вытесняющей жидкости к стоку. В ходе эксперимента получен ряд качественных и количественных результатов, поясняющих физику течения несмепгавающихся жидкостей в капиллярах и пористых средах. Авторы пришли к выводу, что эксперименты подтверждают положение теории Саффмэна-Тейлора о неустойчивости фронта вытеснения, когда менее вязкая жидкость вытесняет более вязкую. Однако картина неустойчивого течения определяется не длиной возмущающей течение капиллярной волны, а геометрией пористого пространства. В последние годы все чаще применяют численное моделирование наряду с различными программными алгоритмами для исследования теплофизических процессов. Так в [34] авторами проведено численное моделирование двумерной установившейся тепловой концентрационной конвекции в прямоугольной пористой полости с помощью численного алгоритма SIMPLER, основанного на приближении конечных объемов. Течение в пористой среде описывается уравнениями Дарси-Бриикмана и Форчхеймера. Многочисленные серии расчетов были выполнены в областях Rat=3-I06,3-I07, 10"6 Da l,l, 1 N 20, Le = 10 и 100, где N - отношение плавучестей.
Численное решение задачи в областях с прямолинейными границами
Среди различных схем решения предлагается наиболее простая явная схема с центральными разностями для решения уравнения нестационарной фильтрации в ПТЭ. Как показано в [108, 114, 119], применение данной схемы оправдано для решения подобного класса задач. Область решения в переменных хну накроем сеткой с шагом Ах по оси х и Ду по оси у. Величину временного интервала обозначим At. При этом безразмерные давление и скорость в каждом узле сетки будет иметь следующие ин- дексы Р ;j и Э ! . соответственно, где i=l...Nx, j=l...Ny, п=0...од, і - номер вертикального сечения, j — номер горизонтального сечения, п - номер временного слоя (в соответствии с рис. 2.2). Конечно-разностный аналог был построен разложением функций в ряд Тейлора [115]. При дискретизации уравнения (2.13) составим псевдонестационарное уравнение (2.18), и будем решать его маршевым методом вплоть до достижения стационарного состояния [114]. Таким образом, получим распределение давления для текущего момента времени. Условие устойчивости было определено в процессе расчета на компьютере. Сравнивались текущие значения в каждой точке области со значениями на предыдущем шаге по времени. Если не наблюдалось явления «разболтки», т.е. не было резкого изменения расчетной величины, то расчет производился далее. Таким образом, производился контроль роста ошибки вычисления, т.е. было выполнено условие устойчивости. Зависимость значений давления от количества итераций и зависимость значения скорости от времени представлены на рис. 2.3а и рис. 2.36. Через входной коллектор HD осуществляется подвод охладителя, через выходной ЛВ — отвод. Шпунт BCGH (рис. 2.4а) и горизонтальная перегородка ВН (рис. 2.46) непроницаемы для охладителя. Применим преобразование координат общего вида для отображения физической области на вычислительную область [120]. Для получения равномерной сетки в вычислительной области выберем границу FE в качестве границы вычислительной плоскости. Таким образом, получим сетку с равномерным распределением узлов в вычислительной области. Преобразование, связывающее физическую и вычислительную области, зададим следующим образом Система уравнений (2.11)-(2.13) при переходе от физических координат х, у к координатам в вычислительной плоскости , ц преобразуется при помощи правила дифференцирования сложной функцииСистема уравнений (2.38)-(2.40) описывает распределение скоростей и давлений в ПТЭ в координатах ;, п, и решается в вычислительной плоскости.
При этом связь между координатами в физической и вычислительной плоскостях задают метрические коэффициенты преобразования х, 2; , хх, и, Зададим отображение, которое переводит узлы сетки из физической области в вычислительную плоскость. Это отображение должно удовлетворять следующим требованиям: отображение должно быть однозначным; линии стеки должны быть гладкими, что обеспечивает непрерывность производных; сетка должна быть достаточно густой в тех частях области, где ожидают возникновения больших численных ошибок. Построим сетку для расчета полей скорости и давления в пористом элементе, изображенном на рис. 2.4. Пусть положение границы EF задается неко- торой функцией у(х), на отрезке а х Ь. Сетку легко построить, выбирая постоянным шагом по координате х и деля каждый отрезок между AD и EF на одинаковое количество частей. Это описывается следующими зависимостями Расчет поля скоростей для схемы с центральными разностями ведется по формулам (2.27), (2.28) для области с прямолинейными границами и по формулам (2.56), (2,57) для области с криволинейной границей. Расчет поля давлений — по формуле (2.29) и (2.58) для области с прямолинейными и криволинейными границами соответственно. Граничные условия рассчитываются по формулам (2.30)-(2.34) и (2.60), (2.63), (2.64). Расчет проводился на компьютере. Для приведенного метода были составлены 2 программы в MatLab для расчета поля давления и скоростей. В первой программе производится построение расчетной сетки. Здесь задаются такие параметры как уравнение криволинейной границы у(х), количество ячеек сетки по х и по у, вычисляются значения криволинейных координат 2, и х\. Для установления связи между обобщенными и декартовыми координатами был рассмотрен метрический тензор [114] Во второй программе производится расчет значений давления и скорости в ПТЭ. Программа работает следующим образом. Вначале происходит ввод исходных теплофизических данных охладителя. Обнуляются массивы давлений и скоростей, задаются значения начального распределения давления в ПТЭ. В программе работают два основных цикла. Первый - определяющий значения скоростей в ПТЭ, второй - значения давлений.
В связи с допущением о несжимаемости жидкости, давление в ПТЭ рассчитывается во внутреннем цикле основного цикла итерационным методом на установление. По окончании производится расчет граничных условий для давления. Затем рассчитываются скорости в ПТЭ и производится расчет граничных условий для скоростей. Далее происходит операция перенрисвоення массивов на предыдущем и текущем шагах и расчет производится далее. На каждом шаге по времени можно наблюдать графики распределения давления и скорости в ПТЭ. Одновременно возможен просмотр рассчитанных значений давлений и скоростей в каждом узле сетки. Возможности MatLab позволяют создать анимацию распределения рассчитанных значений скоростей и экспортировать ее в mpeg-файл. Таким образом, можно наблюдать изменение скорости в реальном времени. Результаты расчета описанным методом представлены ниже. Для иллюстрации предложенного метода расчета распределения давления и скорости в ПТЭ был проведен расчет с помощью разработанной программы при одинаковых исходных данных, за исключением перепада давления. Результаты расчета представлены в виде графиков. Характерный размер ПТЭ d=0,005 м. В качестве охладителя использовались вода и воздух. Теплофизилеские свойства охладителей приведены в таблице 2.1. Из вычислительного эксперимента следует, что разработанный метод является универсальпым при расчете полей давления и скоростей для различных охладителей. Для сходимости решения системы необходимо выбирать такие физические характеристики охладителя, чтобы коэффициенты А и В были близки к единице, а коэффициент С имел наименьшее значение в системе уравнений (2.11)-(2.13). Несмотря на это, при определенных значениях исходных данных, в частности соотношения шагов по времени пространству, может наблюдаться явление «разболтки» (постепенно расходящиеся решения). Но, подобрав значение шага по времени отдельно для давления и скорости и пространству, метод расчета дает хорошие результаты в широком диапазоне физических характеристик охладителя. Как видно из расчетов, применение в качестве охладителя воздуха значительно сокращает время стабилизации скоростей в ПТЭ. Увеличение высоты шпунта также повышает скорость охладителя, особенно вблизи верхней части шпунта. Применение горизонтальной интенсифицирующей перегородки приводит к более равномерному распределению скоростей охладителя в ПТЭ. В области с прямолинейными границами наблюдаются застойные зоны в верхних углах ПТЭ, в то время как в области с криволинейной границей застойные зоны незначительны.
Методика расчета и вычислительный эксперимент
Расчет поля температур в ПТЭ с криволинейной границей ведется по формуле (3.27). Граничные условия рассчитываются по формулам (3.29), (3.32), (3.33) и (3.36). Расчет проводился на компьютере. Для приведенного метода была составлена программа в MatLab. Из программы расчетной сетки используются значения криволинейных координат и ц. Программа определения поля температур работает следующим образом. Вначале происходит ввод исходных те-плофизических данных охладителя и пористой матрицы, а также значения температуры источника Tin и величина теплового потока q. Затем рассчитываются эффективные свойства, коэффициенты Л, В, а также приводятся к безразмерному виду плотность теплового потока, Tjri и температура, соответствующая начальному состоянию ПТЭ. После этого происходит обнуление массивов температур, задается начальное распределение температуры в ПТЭ, шаги по координатам , rj и шаг по времени. Затем, в цикле по времени вычисляется значение температуры во внутренних узлах построенной сетки и производится расчет граничных условий. Далее происходит операция переприсвоения массивов на предыдущем и текущем шагах, и расчет производится далее. На каждом шаге по времени можно наблюдать графики распределения температур в ПТЭ. Одновременно возможен просмотр рассчитанных значений температур в каждом узле сетки. Возможности MatLab позволяют создать анимацию распределения рассчитанных значений температур и экспортировать ее в mpeg-файл. Таким образом, можно наблюдать изменение температуры в реальном времени и определять максимальную температуру на горячей поверхности. Для иллюстрации предложенного метода расчета распределения температуры в ПТЭ был проведен расчет с помощью разработанной программы при одинаковых исходных данных, за исключением характерного размера d. В качестве охладителя использовались вода и воздух. Результаты расчета представлены в виде графиков. Из вычислительного эксперимента следует, что разработанный метод является универсальным при расчете полей температур для различных охладителей.
Для сходимости решения системы необходимо выбирать такие физические характеристики охладителя, чтобы коэффициенты А был близок к единице, а коэффициент В имел наименьшее значение в уравнении (3.8). Несмотря на это, при определенных значениях исходных данных, в частности соотношения шагов по времени пространству, может наблюдаться явление «разболтки» (постепенно расходящиеся решения). Но, подобрав значение шага по времени и пространству, метод расчета дает хорошие результаты в широком диапазоне физических характеристик охладителя. При данном расчете шаг по времени составил 2-Ю- с, а шаг по пространству 2,5-10 м. Как видно из расчетов, применение в качестве охладителя воздуха значительно сокращает время стабилизации температур в ПТЭ, Применение горизонтальной интенсифицирующей перегородки приводит к более равномерному распределению температур охладителя в ПТЭ. Построим зависимость максимальной температуры нагрева в ПТЭ от те-плофизических параметров ПТЭ. Зависимость будем искать в виде где А, В], Сі подлежат определению. Для этого был выполнен ряд расчетов для различных значений характерного размера d и перепада давления АР и построена зависимость Т ах(Ре/С), представленная на рис. 3.20. Наблюдаемый минимум функции на рис. 3.20 связан с тем, что в данном диапазоне начинает влияющую роль играть нелинейный член уравнения (2Л); зависимость строится от безразмерных параметров; для каждого значения d вычислялось соответствующее значение нормированной температуры. В прикладном программном пакете, полученная зависимость аппроксимирована методом наименьших квадратов. Используя встроенную функцию Для проверки достоверности теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования те пломассо пере носа в пористых элементах. Эксперименты были разбиты на два этапа. На первом этапе исследовалась двумерная гидродинамическая картина течения охладителя в пористых средах. На втором этапе рассматривалось тепловое состояние пористого компактного теп-лообменного аппарата. Для обоих экспериментов были изготовлены экспериментальные установки, различные модели для гидродинамических исследований и экспериментальный образец пористого компактного теплообмеиного аппарата. 4.1 Описание экспериментальной установки для исследования гидродинамики течения охладителя в ПТЭ Экспериментальная установка, принципиальная схема и общий вид которой представлены на рис. 4.1, 4.2 состоит из жидкостных магистралей, участка испытываемого образца и измерительной аппаратуры. Установка позволяет определить гидродинамическую картину течения охладителя при использовании в качестве охладителя как жидкости, так и газа. Движение жидкого охладителя через пористый образец производится следующим образом. Вода из емкости 9, проходя через фильтр 5, подается центробежным насосом 10 по магистрали в исследуемый образец. Расход воды регулируется игольчатым вентилем. Для определения расхода воды применяется расходомер 4 фирмы ВЗЛЕТ, марки ЭРСВ-310 с сертифицированным токовым выходом 4-20 мА. При прокачке воды через исследуемый образец поле давлений снимается стендом I с пьезометрическими датчиками давления. После этого вода подается обратно в бак.
Общий перепад давления при проведении эксперимента измеряется с помощью дифференциального датчика давления 3 марки Сапфир22, который имеет токовый выход 4-20 мА. Сигнал подается на измеритель-регулятор 6 фирмы Овен, марки ТРМ 138-Р, где можно наблюдать значение перепада давления. Для удобства и удаленного доступа измеряемые параметры передаются через адаптер сетевых протоколов 7 фирмы Овен, марки АС-3, который преобразует 485 интерфейс прибора ТРМ 138-Р в 232 интерфейс, на компьютер 8. Здесь с помощью программного обеспечения ведется протокол измеряемых параметров, что позволяет демонстрировать графики изменения давления, а также общую картину течения процессов (рис. 4.3). Пористая среда моделировалась насыпками из медной дроби и гранул полистирола, близких к сферической форме. Для изучения гидродинамики течения охладителя в пористых теплообменных элементах были изготовлены несколько экспериментальных моделей. Схема модели показана на рис. 4.4. Основной частью модели является прямоугольный короб 1 с внутренним размером 160x260 мм, в котором выполнены отверстия диаметром 4 мм с шагом 20 мм для установки игл 4 с помощью которых определялось поле давлений. Отверстия 6 исполняли роль источников (стоков). С помощью сетчатых перегородок 8 можно было моделировать распределенную подачу (слив) охладителя. Непроницаемые перегородки 7 и сетчатые 8 использовались для моделирования конфигурации пористых элементов. В перегородках 7 также были выполнены отверстия для установки игл. Методика проведения опытов по определению гидродинамической картины течения в пористых элементах состояла в следующем. Охладитель (газ или жидкость) подавался в модель. После наступления стационарного режима снимались показания расхода охладителя и давления в интересуемых точках. Затем расход охладителя изменялся, и фиксировались аналогичные показания приборов. Для получения достоверных результатов регистрация давления в каждой точке и общего расхода производилась не менее пяти раз при каждом режиме. Коэффициент пористости модели ПТЭ насыпок определялся по методике [123] где тм - масса компактного материала засыпки; рм — плотность компактного материала; V — внутренний объем модели ПТЭ. Методика обработки заключалась в следующем. Проводилась серия опытов числом, равным N. Каждый опыт повторялся п раз, т.е. имели место параллельные опыты. Среднеарифметическое результатов п параллельных опытов рассчитываем по формуле
Описание экспериментальной установки для исследования процессов теплообмена в ПТЭ
Экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 4.12 состоит из жидкостных магистралей, участка испытываемого образца и измерительной аппаратуры. Установка позволяет определить тепловое состояние пористого компактного теплообмен но го аппарата при использовании в качестве охладителя жидкости или газа. Пористый компактный теплообменный аппарат нагревается нагревателем 2, который обеспечивает заданную плотность теплового потока. Плотность теплового потока может изменятся. Движение жидкого охладителя через пористый компактный теплообменный аппарат производится следующим образом. Вода из бака 9, проходя через фильтр 5, подается центробежным насосом 10 по магистрали в исследуемый образец. Расход воды регулируется игольчатым вентилем. Для определения расхода воды применяется расходомер 4 фирмы ВЗЛЕТ, марки ЭРСВ-310 с сертифицированным токовым выходом 4-20 мА. При прокачке охладителя через исследуемый образец перепад давления на входе и на выходе из ПКТОА снимается дифференциальным датчиком давления 3 марки Сапфир 22 ДД. Температура нагревателя измеряется хромель-копелевой термопарой 11 марки TXK(L) 0,11-0,7/3 с диапазоном измерения температуры минус 40...+600 С. Таким же типом термопар измерялись температуры на входе и выходе из ПКТОА. Для обеспечения постоянной температуры на входе, охладитель (вода) поступал в канализацию. но можно наблюдать значение измеряемых параметров. Для удобства и удаленного доступа измеряемые параметры передаготся через адаптер сетевых протоколов 7 фирмы Овен, марки АС-3, который преобразует 485 интерфейс передачи данных прибора ТРМ 138-Р в 232 интерфейс, на компьютер 8, где установлено программное обеспечение Scada, В данной программе значения измеряемых величин можно наблюдать в реальном времени. При помощи встроенного протокола измеряемых параметров, можно просматривать их значения в любой прошедший момент времени, а также строить графики зависимостей от времени. В качестве экспериментальной модели для данного вида исследования был создан экспериментальный образец пористого компактного теплообменно-го аппарата (ПКТОА), чертеж и общий вид которого показан на рис. 4.13, 4.14 [124]. Основной частью модели являются пористые ребра 3 прямоугольной формы и размером 40x6x2 мм, которые припаяны к фрезерованному медному основанию 1, Пористые ребра изготавливались из плетеной латунной сетки толщиной 0,6 мм, размер ячеек 0,5x0,5 мм. На текстолитовую прокладку 2 накладывается крышка и плотно прижимается к пористым ребрам болтиками. На крышке 4 размещены один штуцер входа охладителя 5 и один штуцер выхода охладителя 6 06 мм. ПКТОА работает следующим образом.
Греющий элемент, плотно соприкасается с основанием 1 и нагревает его. Основание передает выделяемую нагревателем тепловую энергию теплообменнику. Через входной штуцер 5 теп-лообменного аппарата подается охладитель, который распределяется в его подающей части. Сквозь пористые ребра 3, горячий охладитель проникает в выходную часть. Выход охладителя осуществляется через штуцер 6. Пористые ребра 3, имеющие высокую поверхность теплообмена обеспечивают охлаждение греющего элемента, как за счет конвекции, так и за счет теплопроводности, Изменение давления Р по оси Y вдоль интенсифицирующей перегородки в пористом клине при различных расходах воды показано на рис. 4.15. Порис- тая среда моделировалась засыпкой из гранул полистирола со средним диаметром частиц d4 =3,2 мм; П=0,4. По мере роста расхода воды Go наблюдается переход к нелинейному режиму течения охладителя. Уменыпение угла ро с к/3 док/6 приводит также к нелинейной фильтрации, что в большей степени проявляется в окрестности стока нижней части интенсифицирующей перегородки. Двумерное поле давления в клине при р0=тг/3 показано на рис. 4.16. При х=140...160 мм наблюдается образование застойной зоны. При увеличении расхода ее размер уменьшается. Для модели с криволинейной границей было произведено сравнение расчетного поля давления с полем давления, полученным в результате экспериментальных исследований. Результат представлен на рис. 4.17. Расхождение полученных экспериментальных результатов с теоретическими расчетами не превышало 15 %. Зависимость напора от расхода при различных конфигурациях пористых тел в случае фильтрации воды показана на рис. 4.19. На графиках хорошо прослеживается переход от линейного к нелинейному режиму течения охладителя. Замена засыпки из полистирола с d4 = 3,2 мм на медную с d4 -1,1 мм при сохранении конфигурации пористого тела приводит к существенному увеличению напора в случае фильтрации воды. На рис. 4.20 показано изменение давления по интенсифицирующей перегородке в безразмерных координатах клипа и пластины. Теоретические кривые рассчитаны для расхода воды G0-0,142 кг/с. При у =0,9 расхождеЕше результатов составляет 20%. Это объясЕЕяется тем, что при расчетах сток представляется в виде точки, а на практике он имеет конечные размеры. Для определения режима фильтрации воды в ПТЭ, изготовленном из пористого медного образца, были проведены эксперименты но определению зависимости напора от расхода охладителя. Замеры проводились при числах Рейнольдса: для воды Re = 0,ll,..8,2. Критерий Рейнольдса рассчитывался по формуле Re = G(P(/a,)/jii04 , где G -удельный массовый расход охладителя.
Результаты замеров приведены на рис. 4.21 для воды. Из графика видно, что при фильтрации воды отклонения от линейного режима течения начинают- Проведение тепловых испытаний показало, что при габаритах пористого компактного теплообменника 50x50 мм, высоте ребра h=3 мм, толщине ребра 5=3 мм, количестве ребер 10, при расходе воды 0,001 ...0,01 кг/с он обеспечивает теплосъем 84...850 Вт при перепаде давления 2,5...5 мм вод.ст.; при расходе воздуха 0,001...0,005 кг/с обеспечивает теплосъем 20...101 Вт при перепаде давления 17,5...60 мм вод.ст. Изменение перепада давления Р от расхода G показано на рис. 4.22. На рис. 4.23 показано количество снимаемой теплоты в зависимости от расхода G. В работе объектом исследования были две модели пористого теплооб-менного элемента. Модель № 1 представляла собой пористый материал, изготовленный из латунной сетки (размер ячейки 0,03 мм, диаметр нити 0,01 мм). Геометрические размеры представлены на рис. 5.1. Высота вставки № I, собранной из сетчатых колец, как и в случае со вставкой № 2, равнялась 10 мм. Модель № 2 [125] представляла собой элемент, выполненный в виде цилиндра с центральным отверстием, с распределительным коллектором охладителя в нижнем торце, связанным с боковыми входными транс пи рацио иными каналами, и с боковыми выходными транспирационными каналами. Схема модели представлена на рис. 5.2. Размеры моделей выбирались таким образом, чтобы они использовались в качестве теплообменных элементов в каналах плазмотрона. Одним из примеров применения пористого охлаждения энергоустановок является разработанная в ВГТУ совместно с ООО «ВЭКС-Энерго» система охлаждения плазмотрона с использованием пористых теплообменных элементов. Изготовленная опытно-промышленная установка на базе машины плазменной резки ГШлФ-2,5-6У4 с новой системой охлаждения, в настоящее время работает на базе ООО «ВЭКС-Энерго» (г. Воронеж). 5.2.1 Описание традиционной системы охлаждения Принципиальная схема системы охлаждения машины плазменной резки представлена на рис. 5.3. Охлаждающая вода подается из открытой емкости 1, насосом 2 с напором 4...4,5 бар в корпус плазмотрона 4, где распределяется на два потока. Первый поток направляется в катододержатель, где охлаждает циркониевый катод, второй поток, проходя через охлаждающий тракт корпуса, по- падает в сопло. Нагретая вода собирается в канале, откуда отводится обратно в бак. Кроме того, подаваемый в плазмотрон воздух используется не только в качестве плазмообразующей среды, но и в качестве охладителя сопла со стороны потока плазмы.
