автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Особенности теплотехнических характеристик пластинчатых теплообменников из композиционных материалов на основе углеродных волокон



танин госудАРСткитдя ТНКСТНЛЫ1ЛЯ АКДДЕМЛЯ

ИМЕНИ А.М.КСШГ1ШЛ

на правах ¡г/пописи ВЕВЯКОВЯ ЕЯШШ ЮРЬЕШ

особенности тештехшчшздс характеик-пвс

ПЛЛСТИМАТНЧ ТЕПЛСОВШМШЮВ ИЗ К0М103ИЦИ0ИШХ МАТЕРИАЛОВ НЛ ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ БОГ<3№{

Специальность : 05.14.64 - Прсмьшенная

диссертации на соискание ученой степени

УДК 66.0d5.t-41.-5P6

теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

кандидг-а

технических

ияуу.

14 0 С К И А 18 9 4

•Работа выполнена в Московской госурарсгвенисй текстильной академик имени А.Н. Косыгина.

Научный руководитель

доктор технических наук , профессор

С&щкаяьние оппоненты

доктор технических наук , профессор

доктор '„сехшмеских наук , г.,-.

А.С.Охотмз

С.И.Аладьев Л.И.Гудим

Вэдус^зя организация

Институт энергетических исследсвашй

Российской Академии наук-'г. Мосгаа

Завита состоится "9" МлОИ-Ц__ 1994 г. в

■{Р.]рчаса-й на ааседатаи специализированного совета К С53.?5.08 в Московской государственной текстильной академии имени А.Н. Косыгина по адресу : И7918 , Моокяа , М, Калуэюкая ул." , д. 1.

С диссертацией моино ознакомится в-библиотеке академии. Автореферат рааоЗДзй, ■^♦¿Ч'___ 1934 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических кате , доце»

Ямает'1 Л.И.

Обира характеристика paScrii.

Âxr/smevam лровлека. . В настояцвч ярсыя наиболее крупным потребителем тепловой анергии в России является про!.'*ш-ленйость. В ней потребляется более 50% проиввцдиш« энергоресурсов , причем коэффициент их полезного ксполь?оэ&ния не превосходит 80%. Поэтому одной ив яатас-йшк проблем лрокнп-ленной энергетики является энергосбережение. Большой .^фйект может бить получен за счет совершензтяозцния дейотьу»:днх технологий j преадэ всего внедрения в производство новых высоко-ЕкЭДективкь'х ^'еплоиспольвующ'лх и теплопородастцих аппаратов , а а'акке использования втори'-ных знергоресурсов.

Реализация данного направления овяздна с целым рядом технических проблем , в первую очередь о проблемой выбора оптимальных конструкций толлоэбменшх аппаратов для конкретных производственных условий. S особенности вто откосится к сио- ■ темам утилизации тепла в промыгшенкости. Например » проши-• ленные стоки часто загрязнены химическими и мехгничесюми примесями , имеют низ)мй температурный потенциал. Поэтому теплообменники геплоутилнгзцисннух систем домны Сыть стойкими к воздействию агрессивных сред , легко разбираться для чистки внутренних поверхностей и обладать шести коэффициентом теплопередачи.~

Всем этим требованиям в каибольпей степени удовлетворяют пластинчатые теплообменники. Для изготовления нмсткн применяют дорогостояще металлы , используются таске ' здгикоррсзи-онные покрытия. Перспективны для пластик тотоэициочаяе материалы' на оснсре углеродных волокон, (УВ) -, так 'îsjc они обладают хорошими тепловыми „арагегеристиками. .

Пластины из композициоиних материалов, легче металлических , не уступают им с прочности и долговечности. Современные технологии позволяют ¿гаготавливат'ь ■ пластины 'сложной формы , в результате теплоноситель - искуственно турбу .визируется при сравнительно малых затратах энергии. -Таким образом , при использовании композиционных материалов- могут быть созданы компактные высокопффектквные пластинчатые теплообменники.

Но расчет таких теплообменников затруднителен из-за отсутствия надежной информации о теплофкгическчх сюйствзх кзч-поышионних материалов , в тем числе, углепластиков.. Их1 сзойс-

тва коаяо »¿ходить расчетным путем ,* если были бы известны характеристики самих углеродных волокон и , прежде всего , их коэффициент тэплопроводносги. ""

Цеж» работы, Учитывал наложенное , целью данной раЗоты является расчет тепловых характеристик многоцелевых пластинчатых теплообменников яя композиционных материалов на основе УЗ , базирующийся на исследовании теплопроводности и механизма переноса тепла в УЗ и разработке универсальной физически обоснованной модели процессов переноса е вецестве.

Научнач нотшина. В ходе работы впервые получены экспериментальные данные по теплопроводности УВ в температурном интервале 300-400 К. Также впервые разработана принципиально новая релаксационная модель , описывашэя свойства переноса и их температурные зависимости в твердой , жидкой и газообразной фазах вещества.

Практическая ценность исследований состоит в тем , что в диссертации предложена конструкция пластинчатого теплообменника и» ¡юмповицйояных материалов на основе УБ ; разработана методика определения тепло- а электропроводности тонких электропроводящих волокон и создана экспериментальная установка •, дана методика расчета теплотехнических характеристик, учитывающая температурные вазисиыости коэффициентов переноса различных веществ.

Апробация рабо-ш : СсноЕИМе результаты диссертации докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА ш. А.Н.Косыгина в 1990 - 1992 годах ; ■ на ¡1 межотраслевой научно-технической конференции "Углеродные и другие жаростойкие , электропроводные ьояокна , компо-биц.шннкн материзлы и их применение в народном хозяйстве" (г. Мытищи) ъ 1990 году ; на ]1 Яннском международнпм форуме по тепло- к маооообмену ь 1392 году.

Публикации. По вопросам .„ связанным с диссертацией , опубликовано В штатные.работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения , трех глав .выводов , приложения , списка используемой " литературы (63 наименования отечественных и гарубетних аЕторрл). Она изложена на 14с страницах текста . включая Ев рисунков-к Ш таблиц. .

Рис.4. Удельное электрическое сопротивление УВ :

1 - ДОТ, 2 - "Урал "-~Т-22 , 3 - ТГН-2М. Видно , что уделыюе электросопротивление слабо уменьшается с температурой , а-теплопроводность растет , что мокет быть объяснено добавочным переносом тепла в :волокне электромагнитным излучением. ■ Оценочные .расчеты такой фотонной теплопроводности полазали , что для сложных пористых структур , какими являются УВ ,ее доля может достигать,СОХ. Степень чернот« УВ при 300 - 400 К по нашим данным составляет 0,47 -0,55. Анализ погрешностей измерений показал., что ошибка определения удельного электросопротивления УВ не превыиает 57* , а их теплопроводности - 20%. ■

Во второй глава рассмотрены современные модели теплопроводности и вязкости, В частности для описания механизма теплопроводности самыми распространенными иоделяш являются молекулярная , электронная , фшсшшя , а также модели добавочной теплопроводности.1 ймекшдаеся 'модели теплопроводности и вязкости 2!мех>т ряд кедостатков : спи трубы , работает в узком диапазоне парагчтров и для ограниченного круга веществ ; недостаточно1 обоснованы ф^ическн , так как в основном эмпиричны. Поэтому встала проблема разработки новей универсашюй модели. Для этого был проанализирован обширный экслеримея-

; тадьный материал по теплопроводности и вязкости большого ряда. веществ.

' В работе рассмотрены данкыо по теплопроводности щелочных ; металлов и других проводящих материалов (Н? ,Си , Ае , Аи , Ве , Мг , гп , Сс1 , А1 , 5п , РЬ , В1), полупроводников (51 , : бе ,5е , Те) и непроводящих материалов (N2, Ог ,ИгО , воздух) в широком интервале температур. Данные по вязкости приведены для щелочных металлов и ртути , а также азота , кислорода , воды и воздуха. Проанализировав экспериментальные зависимости теплопроводности и вязкости от температуры был сделан вывод об их однотипности для различных веществ. Это в некоторой степени предопределяет возможность построения универсальной, модели переноса. .

В основу нашего подхода к решению поставленной задачи были положены зависимости Максвелла для коэ$фициэнтов теплопроводности и динамической вязкости идеального газа ' '

А - ^ С-рУ^Со , (6)

И - д рУгГо , ' (7)

где с теплоемкость, р - плотность,

V средняя скорость распространения частиц, Ео - среднее время переноса энергии.

Использование этих зависимостей для реальных веществ'невозможно из-за сложности расчетов значений скорости V и времени -г0. Для определения их значений в ¡зависимости от температуры рассмотрим механизмы переноса в реальных телах. Любое тело рассматривается как набор атомов , обладающих в общем случае колебательным , вращательным и поступательным видами движения и электронной оболочной, В качестве единой модели строения тел была выбрана модель первой координационной сферы. При приложении к телу градиента температур тепло поглощается всем набором частиц и поглощенная ими анергия распространяется в виде пакета волк. Принимаем , что скорость такого пакета голи равна скорости .звука , то есть пакет тепловой

п

волны состоит из КсЛора волн с частотами электронов , фононов и переменяется как одна волна. Бринкмаем таюте следующий механизм рассеяния волн , определяющий значения теплопроводности и вязкости. При Т < Тщах (Ттах ~ температура ,соответству-кядая максимальному значению теплопроводности) пакет тепловой волны испытывает рассеяние только на границах образца. При Тшах < Т < 6 (в - температура Дебая) преобладает рассеяние на дефектам. При Т > 8 превалирует внутрнпакетное рассеяние всех мод колебоний пакета тепловой волны. В аморфных телах и жидкостях к последнему виду рассеяния добавляется рассеяние на беспорядке координационных сфер. В газах основной вид рассеяния - столкновение пакета тепловой волны о атомами (ассоциациями атомов) гаэа. Во всех случаях необходимо учитывать Енутрилекетное рассеяние. В нашей'модели учет всех видов рассеяния производится величиной времени релаксации (времени , которое проходит иежду двумя столкновениями частиц). Среднее время релаксации пакета тепловой волны при рассеянии на тепловых колебаний предлагается записывать в виде

Х0 - -;-^р--- , (8)

ехр (-у-) -1 ; ■

где Ь/2.Т ,

Ь постоянная Планка , к - постоянная Больцмана

Т* " характеристическая температура (для твердых тел Т* - Ттак » для аморфных тел Т* - тпл I для лздкоясей и газов Т* - Ткил)-

Переход от идеального газа к реальным телам мы предлагаем производить с помощью поправки х к временя в'формуле (8).

Тогда среднее время релаксации х - т0*. Для процессов переноса тепла теплопроводностью обоглачш х - п. По своему смыслу величина п является вероятностью отклонения времени релаксации носителей тепловой энергии в реальном теле от времени релаксации в идеальном газе. Для процессов внутреннего трения , определяются« коэффициенты вязкости, обозначим х - т.

Таким образом , в рамках насей модели предлагаются уни-

версальные формулы для твердых , кидких И газообразных веществ /описывающие температурные зависимости коэффициента теплопроводности к виде ■

1 . Р х - - срУэв^

1УкТ

ехр(—) -1

(9)

и коэффициента динамической еязкости в вйде

1 т

Я - д PVЗB

"Л/кТ

ехр(~^- ) - !

00)

На основании экспериментальных данных по X и ц были рассчитаны значения пит для большого числа веществ. Расчеты значений п проведены для щелочных.металлов (1л , На , К , КЬ, Сз) и других проводящих материалов (Н^ ,0и , Ае , Au.Be, Мг , 7л , СсЗ , А1 , Бп , РЬ , В1) , полупроводников (51 ,бе, Бе , Те) и непроводящих материалов.(N2., Оо ( НгО , воздух). Значения тл вычислены для щелочных металлов , ртути , азота, кислорода , воды и воздуха. Значения пит являются функциями температуры и во всех случаях изменяются в. пределах от О до 1. По вычисленным значениям пит Оыли построены графики температурных зависимостей п и п в относительных единицах. После обработки этих зависимостей для каждого. отдельно. взятого материала были получены / уравнения , отражающие температурные зависимости величин п'йи для -всех рассматриваемых веществ. Аналогичные расчеты..параметра ,п были проведены и: для УВ с использованием наших экспериментальных данных по теплопроводности. " ■ '

Из вышеизложенного можно сделать вывод о работоспособности предложенной релаксационной Модели процессов переноса и

ее физической обоснованности. ■"'.'-

- ' . в 1

В третьей главе содержится краткая характеристика композиционных материалов на основе,углеродных волокон. Углепластикам свойственны высокие, удельные характеристики прочности и жесткости .. - термостойкость , -низкий .температурний коэффициент * лигейного расширения >■:', высокая эрррзионнзя стойкость и.л-гой-

кость к агрессивным средам. В качестве армирующих элементов применяются непрерывные волокна в виде нитей или жгутов , ткани гладкого плетения и рулонные нетканые материалы из хаотически расположенных УВ. Для полимерной матрицы используются термореактивные смолы (эпоксидные и ненасыщенные полиэфирные) , термопластичные смолы (найлон , поликарбонат и др.}. Для формования листовых материалов , к которым относятся заготовки для пластинчатых теплообменников можно использоезть традиционные методы , хорошо освоенные промышленность®.

Свойства углепластиков зависят от многих факторов : от свойств наполнителя и матрицы , содержания наполнителя и структуры композиционного материала , условий формования , режимов термообработки и др. Вввду больного многообразия сочетаний УВ и полимерных матриц теплофизические свойства углепластиков разнообразны и определять ил целесообразно расчетным путем , привлекая различные модели структуры композиционного материала. Все многообразие компооиционных по характеру структуры можно разделить на : материалы с хаотическим распределением волокон наполнителя в объеме (ваты , войлоки) и материалы с упорядоченным плоским распределением еолокон (наполнитель - ткаки или сетки).

В главе рассмотрены методики расчета теплофизических свойств двух основных типов материалов.. Для изготовления пластинчатых теплообменников рекомендуется использовать композиты о упорядоченной структурой , .так как они обладают высокой прочностью , обусловленной способностью наполнителя (в форме ткани или сетка) издерживать значительные растяткващие нагрузки при К'лзшх размерах поперечного сечения. Наш были рассчитаны злаченая тшлоиромэднссот я удельного- электросопротивления ксм.„ззетсз , армированных волокнами "Урал" Т-22 , ДСТГ и ТГН-2М в даапази- SOD - 400 К ври различных значениях объемной концентрации матрицы. , Сравнивая данные , полученные в результате иаирго расчета п экспериментальные данные по Л и р углеттлпетнтл , шага сделать ттад о приемлемости иегоджи расчета теплсфизическия свойств кошоэицяоьнкх материалов,

В работе тачие дано краткге описание пластинчатых теплообменников. Основные конэтруктивнче элементы, тага:/ тоядссб-менников - етгкпованнке гофрирование.', плагины. Гофркрова-

ние пластин приводит к интенсификация турбулентного обмена ,: увеличению поверхности теплообмен;?, к увеличению жесткости конструкции. По способу размещения чцц&жш различают одно- и многоходовые теплообменники. Вагашу лдеимущостЕом пластинчатых теплообменников является то у лцю высо'лая турбулизвция потока между пластинами сводит к ¿вэд образований отложений. Если ке необходима очистка , этот тип теплообменников легко мотет быть разобран , очищен и снова собран. Козффици-. енты теплоотдачи и гидравлического сопротивления в пластинчатых теплообменниках могут быть^рассчитаны с помощьа критериальных уравнений , конкретный вид которых соответствует тре-деленному типу теплообменника. В качестве примера был произведен тепловой и гидравлический расчет пластинчатого одохо-дового теплообменника с пластинами ,из углепластика для утилизации тепла горячих сбросных .растворов красильно-отделочных фабрик с целью подогрева технологической води , идущей на прои-'вку ткани. .

Для описания температурных зависимостей коэффициентов теплопроводности и вязкости теплоносителей -использовалась релаксационная модель переноса. Расчеты показывают , что предложенный пластинчатый теплообменник-утилизатор значительно легче и компактнее разного ему по тепловой (мощности кожухот-рубного аппарата.

Заслуживает, внимания такая особенность пластинчатых,теплообменников ив углепластиков : . электросопротивление одной пластины составляет 0,8 - 1,2 Ом. Это позволяет использовать электроподогрев холодного, теплоносителя в случае прекращения подачи греющей среды в аппарат.. Наибольпий интерес это обстоятельство представляет при 'разработке бытовой техники для нагрева воды или воздуха , а также в'системе« теплоснабжения, на возобновляемых, источниках энергии (особенно ; использующих солнечную энергию) .'■/ .' ■,.'"..'.

Общми вывода.

1. Разработана методика. экспериментально!V определения теплопроводности электропроводящих волокон, при температурах .выше.300 К. Создана экспериментальная установка для реализации вышеназванно^ методики..: . . ' . " .

■ Е. Впервые лроьедени..измерения тепдопроЕодкости углерод-

ник волокон марок "Ур&У 7-22 , ДСТГ , ТГН-2М в интервале температур 300 - 4Ö0 К. . Измерена такие электропроводность этих волокон р указало!* температурном интервале. Оценена погрешность измерений*.

3. Впервые раэраеотана универсальная физически обоснованная модель для описания Процессов переноса в веществах в областях твердого , жидкого и газообразного состояний. В ее основу полотен расчет времен» релаксации основных носителей энергии в реальных телах. На основании экспершентальных данных по теплопроводности и вязкости рассчитаны параметры данной модели для широкого класса вещестз,

4. С использованием экспериментальных данных , полученных з настоящей работе , рассчитаны коэффициента теплопроводности л удельного электросопротивления композиционных материалов на основе углеродных возошя марок "Урал" Т-22 , ДСТГ , ТГН-2М яр» рлаглчнкх обьемнъй концентрация;! полимерной матрицы. 03оснсза.ча вовмотпость использования дашгих композиционных материалов для изготовления пластинчатых теплообменников теплоутилизационных систем теистллькой и химической промышленности. Рассчитаны основные тепловые .характеристики пластинчатого одно/одового теплообменника с пластинами из углепластика для утилчзацш!. яизкепотенциалыгаго тепла в отделочном производство.

- По вопросам связанным о диссертацией опубликованы следующие работы. . ;

1. Охотин A.C. ,Лшкин Л.И. .Копытов С.Н. .Шевякова Е.Ю. '¿кслержеагаШУ? :2Л1леЛсяан:;е теплопроводности углеродных волокон. Млтефкагй IÎ межотраслевой научно-технической конференции "УгхерОлШе я другяе дарсстойгаю , электропроводные волога)а , кслгозшкояныо «зтериалы и их применение в народном хозяйстве". Пил.eçi , iö91 , том I , стр. SO7.

2. Oxcïî») A.C. ,&>зк..й ЛЛ1.,Ивгнт A.D.,Г&тлст C.B. ,Шевя-кова Е.Ю. О злмыгл №гаературясй зависимости коэ({фициентов переноса на теплсотдачу яри дашнарнсм течении. Тезисы докладов II Мляаэтго мртдупйродпэго форума по тепле- и массосбке-üv. Минск , 1902. , стр. в1

3. Okholin Л.S., '¿teakin_ L. 1., Jvar.vuk A.P. and

Shevyakova E.Su. Universal temperature dependences of • transport coefficients., Proceedings of the 10-th International Heat .Transfer Conference , Brighton , England , 1994 , 4p..

ЛР » 020753 от 04.03.93

Подписало в печаль 28.04.94. Сдано в производство 28.04.94 Фориат бумаги 60 х 84/16 Бумага MH0S. Усл.пэч.л. 1,0 Уч.-язя. л. 1.0 Заказ 284 Тираж 85

Ротапринт МГТА,П7419, Москва, Донская,26