Введение к работе
Актуальность темы
Необходимость создания все более компактных теплообменных аппаратов заставляет
искать способы интенсификации теплообменных процессов при допустимых
гидравлических потерях. Одним из эффективных средств интенсификации теплообмена являются пористые материалы, позволившие интенсифицировать теплообмен в системах охлаждения тештонапряженных узлов ракетных и газотурбинных двигателей, ядерных реакторов, зеркал мощных лазеров и др. Успешное применение пористых материалов в указанных системах оказалось возможным благодаря высоким значениям удельной поверхности и коэффициента теплоотдачи, а также исследованиям теплогидродинамических характеристик пористых структур, выполненным такими учеными, как Полежаев Ю.В., Леонтьев А.И., Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П., Белов СВ., Голъдштик М.А., Андриевский Р.А., Поляков А.Ф., Поляев В.М., Майоров В.А., Субботин В.И., Харитонов В.В., Плаксеев А.А., Селиверстов Е.М, Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Дезидерьев С.Г. и др.
Областью, в которой пористые материалы пока не нашли широкого применения в качестве интенсификаторов теплообмена, являются рекуперативные теплообменники, широко применяемые во всех отраслях, в том числе в авиации и космической технике. Одной из причин этого являются большие расхождения литературных данных о теплогидродинамических характеристиках пористых материалов, что обусловлено большим разнообразием структур пористых материалов, разным подходом к описанию тепловых процессов в пористых вставках и обобщению полученных экспериментальных данных по теплоотдаче и сопротивлению.
Решение проблемы расхождения экспериментальных данных по
теплогидродинамическим характеристикам или, другими словами, проблемы обобщения данных по теплоотдаче и сопротивлению пористых материалов, требует, с одной стороны, адекватного описания геометрической структуры пористости, т.е. построения их геометрической модели, адекватного описания тепловых процессов в пористом теле, охлаждаемом (нагреваемом) теплоносителем, а с другой - учета влияния на тепло гидр о динамические характеристики пористых материалов помимо традиционно используемых чисел подобия также параметров, характеризующих индивидуальные геометрические особенности пористой структуры.
Цель работы: установить закономерности, обобщающие теплообмен и гидродинамическое сопротивление в пористом материале с различными геометрическими хар актер истиками.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
разработать математические модели и методику оценки геометрических характеристик низко и высокопористой структур;
установить зависимость тешюфизических свойств каркаса и теплоносителя в пористой структуре от характеристик пористости;
построить математическую модель тепловых процессов в цилиндрическом пористом теле, нагреваемым от внешнего нагревателя и охлаждаемым однофазным теплоносителем, учитывающую изменения температуры боковой поверхности каркаса вдоль оси цилиндра;
- разработать методику исследования теплоотдачи в пористом цилиндре, охлаждаемым
однофазным теплоносителем, на базе построенных математических моделей геометрической
структуры пористости, тепло физических свойств и тепловых процессов;
- провести экспериментальные исследования образцов высокопористого ячеистого материала
(ВПЯМ);
- обобщить полученные результаты исследований теплоотдачи и сопротивления ВПЯМ
критериальными уравнениями, учитывающими режим течения, свойства теплоносителя и
индивидуальные геометрические параметры пористости.
Научная новизна:
Построены геометрические модели низко и высокопористой структуры.
Предложена зависимость теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в пористой структуре от характеристик пористости.
Аналитически решена сопряженная двумерная стационарная задача теплообмена каркаса цилиндрического пористого тела, нагреваемого от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем, учитывающая изменения температуры боковой поверхности каркаса вдоль оси тела.
Предложена методика исследования теплоотдачи в пористом цилиндре.
На основе предложенных моделей геометрии пористой структуры, зависимости теплофизических свойств каркаса и теплоносителя от характеристик пористости, тепловых процессов в пористом цилиндре, охлаждаемом однофазным теплоносителем, экспериментально получены критериальные уравнения по теплоотдаче и сопротивлению образцов ВПЯМ, учитывающие режим течения, свойства теплоносителя и индивидуальные геометрические параметры пористости.
Показана перспективность применения пористых вставок из ВПЯМ в рекуперативных теплообменниках.
Методы исследования:
геометрический метод определения пористости, просветности, удельной поверхности, эквивалентных диаметров каналов и перемычек низко и высокопористьтх структур;
метод конечных интегральных преобразований Фурье-Ханкеля для аналитического решения краевых задач теплопроводности каркаса и потока теплоносителя;
метод Гаусса с выбором главного элемента в столбце 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 модели и предложенной зависимости теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в пористом теле проверена путем сопоставления расчетных значений теплофизических свойств пористых структур с литературными данными. Адекватность модели тепловых процессов в пористых средах проверена путем сопоставления расчетных и экспериментально измеренных значений температуры теплоносителя на выходе из пористого цилиндра на нескольких радиусах с 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.
Практическая ценность. Разработанные геометрические модели структур низкопористого материала из гранул и ВПЯМ, теплофизических свойств каркаса и теплоносителя, тепловых процессов в пористых цилиндрах, охлаждаемых (нагреваемых) однофазным теплоносителем, позволяют выбирать структуру с требуемыми характеристиками для теплообменных аппаратов. Показана перспективность применения пористых вставок из ВПЯМ в пластинчатых теплообменниках.
Результаты работы используются в научных исследованиях Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ) и Казанского научного центра РАН.
Полученные результаты по теплоотдаче и гидродинамическому сопротивлению ВПЯМ предлагаются к использованию для расчета и проектирования различных теплообменных систем в КБ и НИИ авиационного, ракетного и космического профиля, ЗАО НИИ «Турбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа», КГТУ им. А.Н. Туполева, Казанского научного центра РАН, КГЭУ и др.
Автор защищает: геометрические модели низкопористой структуры из гранул и ВПЯМ; модель теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в пористом материале; аналитическое решение сопряженной двумерной стационарной задачи теплообмена каркаса цилиндрического пористого тела, нагреваемого от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем, учитывающее изменения температуры боковой поверхности каркаса вдоль оси тела; методику исследования теплоотдачи в пористом цилиндре, нагреваемом от внешнего нагревателя; результаты экспериментальных исследований теплоотдачи и гидродинамического сопротивления ВПЯМ; критериальные уравнения для внутренней теплоотдачи и гидродинамическому сопротивлению в ВПЯМ.
Личное участие. Автором лично под руководством научного руководителя выполнены следующие работы: разработана геометрическая модель низкопористой структуры; построена модель тепловых процессов в пористом цилиндре при переменной по его длине температуре образующей поверхности; проведены эксперименты, обработка и обобщение полученных результатов критериальными уравнениями.
Кроме того, часть работ - проектирование, изготовление и отладка экспериментального стенда; построение геометрической модели ВПЯМ; установление зависимости теплофизических свойств пористых структур от их характеристик; методики исследования тепло гидр о динамических характеристик пористых материалов; моделирование тепловых процессов в пористом цилиндре при постоянной температуре боковой поверхности -выполнена совместно с кан.техн.наук Р.А. Назиповым.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены 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 ТХ и X Международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» в г. Казань, 2009 и 2010 г.г.; на итоговой научной конференции за 2009 год Казанского научного центра РАН в г. Казань, 2010 г.; на Аспирантско-магитерских семинарах в КГЭУ, г. Казань, 2009, 2010 и 2011 г.г.; на V и VI Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» в г. Казань, 2010 и 2011 г.г.; на 1 Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика». Ставрополь, 2010 г.; на VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова в г. Казань, 15-17 сентября 2010 г.; на XVTTT Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева, 23-27 мая 2011 г.; на Vll Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji "Dynamika naukowych badan - 2011", 07-15 lipca 2011 roku; на 15-th Workshop on Transport
Phenomena in Two Phase Flow. September 17 - 22, 2011. Sunny Beach Resort, Bulgaria; на VI Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию первого полета человека в космос и 100-летию со дня рождения Н.Д. Кузнецова: Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011». 12-14 октября 2011г. Казань.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, из них 5 статей в журналах перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 121 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Рисунков - 42, таблиц - 7, библиографический список содержит 97 наименований.
