Введение к работе
Актуальность темы. При создании компрессорных агрегатов (КА) для мобильных, блочно-модульных и транспортных установок одним из определяющих критериев технического уровня являются их габаритные размеры. Обеспечение компактности достигается как за счёт форсирования путём уменьшения числа ступеней и повышения быстроходности, так и за счёт компоновки отдельных узлов и конструктивных элементов. Целый ряд узлов КА нуждается в интенсивном отводе теплоты, в связи с чем необходимо создание высокоэффективных компактных узлов охлаждения, которые находятся в условиях стесненной, ограниченной компоновки и при этом обеспечивают требуемые показатели по тепловогидравлической эффективности. Так, например, в поршневых компрессорах компактные узлы охлаждения необходимы для отвода теплоты от цилиндров, узлов трения (коренные и шатунные подшипники, сальники и цилиндропоршневая группа и др.), встроенных охладителей газа и маслоохладителей жидкостного охлаждения; в центробежных компрессорах - для охлаждения узлов трения.
В связи с этим необходимо создание высокоэффективной технологичной
конструкции узла охлаждения, легко адаптируемого к охлаждаемому объекту. Одним
из направлений интенсификации теплообмена в проточной части таких узлов без
применения дополнительных конструктивных элементов является турбулизация
потока в поле массовых сил. Действие центробежных сил в спирально-змеевиковых
каналах (СЗК) создает перемешивание среды, что приводит к интенсификации
процессов теплообмена и повышению компактности узлов охлаждения. Спирально-
змеевиковые конструкции с круглым профилем известны и применяются в различных
узлах энергетических машин и в теплообменном оборудовании. Однако, СЗК
круглого сечения технологически трудно реализовать применительно к
рассматриваемым объектами, а СЗК с поперечным сечением некруглой формы (например, треугольной или квадратной, которые легко выполнить даже на универсальном токарном оборудовании) практически не применяются. При этом отсутствуют опубликованные данные по результатам экспериментальных и теоретических исследований в таких каналах и теплообменных устройствах применительно к условиям эксплуатации в КА.
Создание компактных узлов охлаждения КА, в которых интенсификация теплообмена достигается в СЗК технологичного профиля за счёт объёмной турбулизации потока и методики расчёта таких узлов представляется актуальным как для компрессоростроения, так и для смежных отраслей техники.
Связь темы диссертационного исследования с общенаучными, государственными программами. Работа выполнена в рамках НИР «Поисковые исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины» (государственный контракт №1551 от 24.03.2008 г. на основании постановления Правительства РФ № 771-335 от 10.11.2007 г.), а также в рамках госбюджетной фундаментальной НИР 4.11Ф «Разработка методов теоретического и экспериментального исследования процессов теплообмена и газодинамики в криволинейных пространственных потоках» (2011 г.).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов путём интенсификации теплообмена в спирально-змеевиковых каналах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику конечно-элементного расчета (КЭР) процессов
теплоотдачи и течения жидкости в СЗК узлов охлаждения КА на базе прикладного
пакета программ ANSYS CFX.
2. Разработать методику экспериментального исследования процессов
теплоотдачи и течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА и стенд
для её реализации.
3. Выполнить экспериментальное исследование процессов теплоотдачи и
течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА.
4. Выполнить параметрический анализ влияния конструктивных и режимных
факторов на теплогидравлические характеристики компактных узлов охлаждения КА
со спирально-змеевиковой проточной частью, в том числе влияния формы
поперечного сечения канала и его ориентации относительно оси канала.
-
Выполнить сравнительный анализ эффективности СЗК треугольного, квадратного и полукруглого сечений с СЗК круглого сечения.
-
Уточнить критериальные зависимости для определения безразмерных коэффициентов теплоотдачи Nu и сопротивления ^ для СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.
7. Разработать инженерные методики расчета теплогидравлических
характеристик (безразмерные коэффициенты Nu и Q компактных узлов охлаждения
КА со спирально-змеевиковой проточной частью некруглого сечения.
8. Разработать рекомендации по конструированию компактных узлов
охлаждения КА.
Научная новизна:
-
Разработана методика КЭР процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК узлов охлаждения КА на базе прикладного пакета программ ANSYS CFX.
-
Получены уточнённые критериальные зависимости для определения чисел Nu и коэффициентов сопротивления ^ для СЗК квадратного и треугольного сечений при использовании в качестве охлаждающей жидкости воды в диапазоне 600 < Яеаэкв < 10000 и 3 < Рг < 7.
-
Впервые получены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК с различным поперечным сечением и проведен сравнительный анализ их интегральных теплогидравлических характеристик для рассматриваемых конструкторских и режимных параметров узлов охлаждения КА. Обоснована целесообразность применения СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений в компактных узлах охлаждения КА.
Практическая ценность:
-
Разработана инженерная методика расчета компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов со СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.
-
Предложены рекомендации по совершенствованию конструкций компактных узлов охлаждения КА со СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.
3. Рекомендации для проектирования компактных узлов охлаждения КА
внедрены на ОАО «УКЗ» (г. Екатеринбург); разработанные методики расчёта - в
учебный процессе кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология»
ОмГТУ.
Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что:
- полученные результаты основаны на фундаментальных законах физики;
применялись современные измерительные приборы и лицензионные программные продукты при проведении экспериментальных и теоретических исследований;
- получено удовлетворительное соответствие вновь полученных результатов численного эксперимента с известными данными других исследователей и результатами собственного эксперимента.
Апробация работы. Представленные в диссертации результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований докладывались на XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2007); VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2007); VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2009); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (Москва, 2010); XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2011); Молодёжной научно-технической конференции «Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства» (Омск, 2011); Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, 2011); Четвертой международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2011); научных семинарах кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» ОмГТУ (Омск, 2009, 2011, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Объём работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 196 страниц текста, 98 рисунков, 13 таблиц. Список литературы включает 147 наименований.
