автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Совершенствование конструкций и метода расчёта компактных спирально-змеевиковых узлов охлаждения компрессорных агрегатов

005019670

На правах рукописи

СУХОВ Евгений Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДА РАСЧЁТА КОМПАКТНЫХ СПИРАЛЬНО-ЗМЕЕВИКОВЫХ УЗЛОВ ОХЛАЖДЕНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 РАПРШ

Омск-2012

005019670

Работа выполнена на кафедре «Холодильная и компрессорная техника и технология» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет».

Ведущая организация: ООО «НТК «Криогенная техника», г. Омск.

Защита диссертации состоится «25» мая 2012 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.02 по адресу. 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Автореферат разослан » апреля 2012 г. Ученый секретарь

Научный руководитель:

д.т.н., профессор В.Л. Юша

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор А.С. Ненишев к.т.н., доцент Ю.А. Потапов

диссертационного совета д.т.н., профессор

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 СРХ.

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.

5. Выполнить сравнительный анализ эффективности СЗК треугольного, квадратного и полукруглого сечений с СЗК круглого сечения.

6. Уточнить критериальные зависимости для определения безразмерных коэффициентов теплоотдачи N0 и сопротивления 4 ДЛЯ СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.

7. Разработать инженерные методики расчета теплогидравлических характеристик (безразмерные коэффициенты Ыи и £) компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью некруглого сечения.

8. Разработать рекомендации по конструированию компактных узлов охлаждения КА.

Научная новнзна :

1. Разработана методика КЭР процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК узлов охлаждения КА на базе прикладного пакета программ АЫ8У8 СБХ.

2. Получены уточнённые критериальные зависимости для определения чисел Ми и коэффициентов сопротивления 4 для СЗК квадратного и треугольного сечений при использовании в качестве охлаждающей жидкости воды в диапазоне 600 < Яеаэкв < 10000 и 3 < Рг < 7.

3. 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:

1. Разработана инженерная методика расчета компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов со СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.

2. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность, научная и практическая значимость работы, представлено краткое содержание всех глав, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса интенсификации теплообмена в тепловых устройствах энергетических машин и установок, представлена классификация существующих способов интенсификации теплообмена в каналах, приведен обзорный анализ теоретических и экспериментальных методов исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов теплообменных устройств на основе работ таких исследователей как Кутателадзе С.С., Щукин В.К., Дрейцер Г.А., Дзюбенко Б.В., Терехов В.И., Кузьма-Кичта Ю.Ю., Леонтьев А.И., Петухов Б.С., Калинин Э.К., Ярхо С.А., Исаев С.А., Тарасевич С.Э., Лобанов И.Е., Комов А.Т. и др., внесших неоценимый вклад в развитие исследований по интенсификации теплообмена, а также работ по совершенствованию систем охлаждения компрессорного оборудования таких исследователей, как Пластинин П.И., Прилуцкий И.К., Хрусталёв Б.С., Кабаков А.Н., ЩербаВ.Е., Парфенов В.П., Калекин B.C., Юша В.Л. и др.

В большинстве существующих работ рассматривались преимущественно рабочие процессы, протекающие в элементах систем охлаждения, тогда как при конструировании компактных узлов охлаждения существенным фактором становится

их технологичность и возможность размещения в ограниченном компоновочном пространстве. В дополнение к этому представлен анализ методик теоретического и экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а также телпогидравлической эффективности теплообменных каналов. Проведен сравнительный анализ известных критериальных уравнений по определению чисел Nu и коэффициентов сопротивления трения 4 ДЛЯ прямых и спирально-змеевиковых каналов круглого сечения в диапазоне чисел 600<Red3KB<10000 с рабочим телом вода. Наиболее близкие друг к другу результаты по числам Nu и коэффициентам Ъ, для прямых каналов в рассматриваемом диапазоне Re,oKB получены по уравнениям Р. Норриса, X. Хаузена, Ж. Пуазейля и Г. Блазиуса. В случае спирально-змеевиковых каналов наиболее близкие друг к другу результаты дают критериальные зависимости, предложенные В.К. Щукиным, М.Адлером и X. Ито. Выявлено, что критериальные уравнения чисел Nu и коэффициентов 4 известны только для СЗК круглого сечения. Последнее говорит о необходимости исследования СЗК с некруглым поперечным сечением, которые являются более технологичными применительно к компактным узлам охлаждения КА, в том числе треугольной и квадратной формы.

Во второй главе представлена разработанная методика КЭР процессов теплообмена и течения жидкости в СЗК с различной формой поперечного сечения и с различной ориентацией этого сечения вокруг оси канала (рис. 1), реализованная с использованием программного пакета ANSYS CFX. Задача теплогидравлического анализа решалась на основе дифференциальных уравнений неразрывности, движения, энергии и теплоотдачи с использованием безтурбулентной, к-е и к-со моделей турбулентности для зон ламинарного, переходного и турбулентного течений, соответственно. Выбор указанных моделей турбулентности обоснован проведенным сопоставительным анализом представленных в приложениях ANSYS моделей турбулентности.

В качестве основных допущений методики КЭР приняты следующие: процессы течения жидкости и

теплообмена стационарны; плотность теплового потока на внутренней поверхности стенки канала постоянна (qcr = const); в потоке жидкости отсутствуют внутренние источники теплоты; на торцевых поверхностях каналов отсутствует

теплообмен.

К принятым условиям однозначности методики КЭР процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК

д)

ж)

3) и)

Рис. 1 Типы профилей исследуемых СЗК (круглое сечение не показано): а) - треугольное сечение ф - 0°, б) - треугольное сечение q> = 180°, в) - треугольное сечение ф = 45°, г) -треугольное сечение ф = 135°, д) - квадратное сечение, ж) -ромбическое сечение, з) - полукруглое сечение ф = 0°, и) -полукруглое сечение ф = 180°.

относились:

- граничные условия: давление воды на входе РВх> температура воды на входе Твх, расход воды 0,0036 < ОВОды < 0,075 кг/с, тепловой поток на цилиндрических

Вода

• Иш^согкГ

Дет» ИГ

поверхностях 2650 < цСтх < 55500 Вт/м2 (представлен плотностью тепловых потоков и ц2), скорость жидкости на поверхности стенки сог= 0.

- геометрические условия: длина канала Ь = 2,36 м (количество витков спирали п = 6,5, диаметр витков ЕЬм =0,1 м, шаг витков = 0,075 м), площадь исследуемого поперечного сечения/ = 5,024*10*5м2.

- физические условия: физические свойства жидкости и поверхности определялись с использованием библиотек свойств веществ АЫБУЗ.

Расчеты проводились с шагом Яеаэкв = 250 в диапазоне 600<Яе(1экв<2000 и И-е^кв = 500 в диапазоне 2000<11еаэкв<10000, для каждой моделируемой поверхности соответствовало 24 расчетные точки. Размеры конечных элементов (тетраэдры с углом между гранями 18°) составляли: от 0,01 до 0,5 мм - на поверхностях, образующих поток жидкости; в области сопряжения «жидкость — твердое тело» - от 0,01 до 0,5 мм; на всех поверхностях твердых тел - от 0,1 до 1 мм. Количество конечных элементов лежало в диапазоне от 1 002 371 до 1 211 270.

Рис. 2 Расчетная треугольного сечения.

сзк

Рис. 3 Зависимость чисел n11 от чисел Яе для прямолинейного канала круглого сечения: I -результаты расчета по ур. Р. Норриса и X. Хауэена, 2 - результаты эксперимента В.М. Кейса и А.Л. Лондона, 3 - результаты расчета в АЫБУБ СРХ, 4 -результаты собственного эксперимента

Рис. 4 Зависимость коэффициентов сопротивления £ от чисел Яе для прямолинейного канала круглого сечения: 1 - результаты расчета по ур. Ж. Пуазейля и Г. Блазиуса, 2 — результаты эксперимента В.М. Кейса и А.Л. Лондона, 3 - результаты расчета в А^УБ СРХ, 4 - результаты собственного эксперимента < Т-------------------------------------------

Рис. 5 Зависимость чисел Ыи от чисел Яе для СЗК круглого сечения при Озм ~ 0,1 м: 1 - результаты расчета по ур. В.К. Щукина, 2 - результаты расчета в АЫБУБ СРХ, 3 - результаты собственного эксперимента

Рис. 6 Зависимость коэффициентов сопротивления \ от чисел Яе для СЗК круглого сечения при Эзм= 0,1м: 1 -результаты расчета по ур. М. Адлера и X. Ито, 2 -результаты расчета в АКЗУБ СБХ, 3 - результаты собственного эксперимента

При определении коэффициентов N11 и £ исходными данными являлись осредненные по периметру канала значения температур стенки, а также значения температур и давлений на входе и выходе из канала при установившемся режиме.

Определение температур и давлений жидкости в каналах осуществлялось как среднемассовая величина. Определение температуры стенки проводились на внутренней поверхности каналов в 20-ти поперечных сечениях.

V-

2

і-

<-11

Рис. 7 Зависимость коэффициентов ~ от чисел Ке для СЗК треугольного сечения ф = 0" при Озм = 0,1 м: 1 -результаты расчета в АЫБУБ СРХ, 2 - результаты собственного эксперимента

Рис. 8 Зависимость чисел N4 от чисел Яе для СЗК треугольного сечения ф = О" при Озм =0.1 м: ' -результаты расчета в АЫБУБ СРХ, 2 - результаты собственного эксперимента

Проверка методики КЭР на адекватность выполнялась путем сравнения полученных по результатам численного моделирования в АШУв СРХ чисел N11 и коэффициентов сопротивления трения 4 с числами N11 и 4, полученные по выбранным в главе 1 критериальным зависимостям (для прямого канала круглого сечения -уравнения Р. Норриса, X. Хаузена, Ж. Пуазейля, Г. Блазиуса, для СЗК круглого сечения - В.К. Щукина, М. Адлера, X. Ито), а также с числами N11 и полученными по результатам экспериментального исследования каналов круглого и <р=0° треугольного сечений.

Расхождение между значениями N11 для каналов круглого сечения по результатам расчётов в А^Ув СРХ и по известным зависимостям (см. описание главы 1) составило в среднем 19,6%, в случае коэффициентов с, - 14,5%, а между значениями, полученными при экспериментальном исследовании и по известным зависимостям - 19,5% и 11,6%. Расхождение между значениями »и для СЗК треугольного сечения, полученными по результатам экспериментального исследования и расчётов в АЫЗУБ СРХ составило 21,4%, для 4 - 19,7%.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. Для их проведения была разработана методика и экспериментальный стенд, а также изготовлен комплект экспериментальных образцов: прямолинейный теплообменный элемент с круглым сечением проточной части, спирально-змеевиковый теплообменный элемент с круглым сечением проточной части, спирально-змеевиковый теплообменный элемент с треугольным сечением проточной части (ф=0°). Целью исследований являлась проверка на адекватность разработанной медики КЭР.

Исследуемыми объектами являлись: прямой и СЗК круглого сечения с наружным и внутренним диаметрами ¿вн= 0,008 м, с1НАР = 0,01 м, длиной канала I = 2,098 м, средним диаметром Дзм= 0,1 м, числом и шагом витков СЗК п = 6,5 и / = 0,075м; СЗК треугольного сечения с углом ориентации профиля относительно собственной оси <р = 0° с йзм = 0,1 м, п = 6,5, < = 0,075м, Ь = 2,098 м, размером основания а = 0,0107м, эквивалентным диаметром ёЭкв = 0,0062м. На рис. 9 представлена принципиальная схема стенда, которая обеспечивала охлаждение исследуемых объектов, поддержание и контроль параметров охлаждающей среды.

Перепад давления в исследуемых каналах измерялся при помощи и-образного дифференциального водяного манометра 23 (рис. 9). Измерение температур на стенке канала производилось 20-ю поверхностными хромель-копелевыми термопарами 19

типа ДТПЬ 011-0,5/1,5, закрепленными на внешней стенке каналов. Измерение входных и выходных значений температуры жидкости осуществлялось с помощью двух термопар 32 типа ДТПЬ 011-0,5/1,5, спаи которых погружались в центр исследуемых каналов. Показания всех термопар регистрировались милливольтметром 22, значения напряжений которых фиксировались на ПК 21 с использованием программного обеспечения производителя милливольтметра. Измерение расхода воды осуществлялось ультразвуковым расходомером Золотев 1000 (поз. 18).

Контроль за режимом работы нагревателя осуществлялся при помощи вольтметра 29 типа Ц4200 0-250В кл.т. 2,5 и амперметра 28 типа Э8030 0-20А кл.т. 2,5. Питание всех электропотребителей стенда осуществлялось через стабилизатор напряжения «Ресанта-10000» с отклонением подачи напряжения не более 2%. Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду исследуемая поверхность по всей своей длине обматывалась изоляцией из вспененного каучука. Во избежание воспламенения каучуковой изоляции из-за высоких температур на поверхности нагревателя использовалась промежуточная обмотка из шнурового асбеста.

а)

Рис.9 Принципиальная схема (а) и общий вид (б) экспериментального стенда: 1 - насос, 3 - фильтр, 4, 12, 15-нран сливной, 5 - термоманометр, 6 - кран запорный, 7 - вентили регулирующие, 8 - кран запорный, 13 - кран запорный, 14 - бак водяной циркуляционный, 16 - теплообменник воздушный, 17 - кран запорный, 18 -расходомер, 19 - термопары поверхностные, 20 - манометр, 21 - компьютер, 22 - милливольтметр, 23 -дифференциальный жидкостной трубчатый манометр, 24 - образцовые манометры, 25 - краны трехходовые, 26 - кран запорный, 27 - автотрансформатор, 28 - амперметр, 29 - вольтметр, 30 - исследуемая поверхность, 31 - устройство компенсации холодных концов термопар, 32 - погружные термопары.

Эскиз экспериментального узла СЗК треугольного сечения с углом ориентации профиля 9=0" представлен на рис. 10. Исследуемая поверхность 1 представляла собой СЗК треугольного сечения выполненных в дюралюминиевом цилиндре с кольцевыми треугольными зубьями. Канал для потока охлаждающей жидкости образовывался путем посадки с натягом 0,2 мм наружной стальной гильзы 2 к дюралюминиевому цилиндру 1. Герметичность СЗК треугольного сечения обеспечивалась за счет посадки с натягом по вершинам кольцевых зубьев цилиндра 1 и холодной сварки 3. Нагрев жидкости в треугольном канале обеспечивался гибким ленточным ТЭН 5, спирально намотанным вокруг стальной гильзы 2, а также и-образным трубчатым ТЭН, вкручиваемым во внутреннюю цилиндрическую полость цилиндра 1. Использование двух ТЭНов позволило обеспечить равносторонний нагрев треугольного канала, так как на каждую сторону треугольного канала подавался равный тепловой поток. Регулировка тепловой нагрузки от ленточного и и-образного трубчатого ТЭН обеспечивапась автотрансформаторами.

Измерение температур стенки треугольного канала проводилось 27-ю поверхностными хромель-копелевыми термопарами 4. Поверхностные термопары Т1 - Т19 для измерения температуры внешней стенки канала устанавливались в просверленные в стальной гильзе 2 отверстия. Поверхностные термопары Т20 - Т27 для измерения внутренней стенки канала устанавливались в просверленные в дюралюминиевом цилиндре 1 отверстия диаметром 3 мм, которые затем герметизировались со стороны треугольного канала алюминиевым припоем с теплопроводностью близкой к материалу Д16 дюралюминиевого цилиндра 1. Спаи термопар крепились к поверхностям, свободные концы термопар фиксировались в просверленном отверстии с помощью холодной сварки 3.

л. , , , , , , , . Применяемое на стенде

jLK i JO A i, ¿i í i 6 X « X

\f|-i/ / \ \ \ \ \ \ \ \ , i оборудование позволило

изменять средние скорости,

расходы жидкости в

диапазоне 0,07 < со < 1,5 м/с,

0,0036 < G < 0,075

(соответствовало 600<

Red3KB< ЮООО), а также

варьировать рабочие

тепловые потоки 2650< qCT

< 55500 Вт/м2. Диапазоны

чисел Рейнольдса и

скоростей соответствуют режимам работы узлов охлаждения (узлы трения, встроенные охладители газа и маслоохладители,

цилиндры жидкостного охлаждения) КА. Некоторые результаты эксперимента

Рис. 10 Принципиальная схема узла СЗК треугольного сечения (ф=0*): 1 - цилиндр со спирально-змеевиковой канавкой треугольного сечения, 2 - наружная гильза, 3 - уплотнение, 4 - поверхностные термопары, 5 - ленточный ТЭН, 6 - стеклянная электроизоляционная лента, 7 - шнуровой асбест, 8 - каучуковая изоляция, 9 -соединительные муфты, 10 - штуцеры отбора давления, 11 - штуцеры для термопар, 12 - 1!-образный трубчатый ТЭН

представлены на рис. 3-8. Средняя погрешность экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления составляла 16% и 21%, соответственно, что является удовлетворительными для подобного рода теплофизических исследований.

В четвёртой главе представлены результаты численного параметрического анализа процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА и влияния конструктивных и режимных факторов на их интегральные теплогидравлические

характеристики, выполненного с использованием лицензионного программного продукта А^УБ СРХ. В качестве параметров, характеризующих эффективность каналов были выбраны комплексы тепловой Шзмх/Мизм.кр (где Мизм.х - число N11 для СЗК исследуемого профиля, Ыцзм.кр - число Ыи для СЗК с круглым профилем), гидравлической £зм.х/4зм.кр (где ¡йм.х - число Е, для СЗК

узла со спирально-змеевиковым каналом треугольного сечения ф = 0°

исследуемого профиля, 5змю> - число Ъ, для СЗК с круглым профилем) и теплогидравлической Г| = (Т^изм.х/ЫизмктУ^'мх/^змкр) эффективностей. Изменяемыми параметрами являлись: форма сечения СЗК при разных углах ориентации сечения относительно собственной ОСИ ф (см. рис.1), ЧИСЛО Явгізкв. изменяемое в диапазоне 600<Яе<ізкв<10000 и отношение эквивалентного диаметра к осевому диаметру СЗК, изменяемый в диапазоне 6,1<(с1экв/ОзМ)<20. Постоянными параметрами являлись: осевой диаметр СЗК (см. рис. 2), площадь поперечного сечения канала /, число п и шаг витков СЗК / и длина СЗК Ь. Геометрические характеристики СЗК рассматриваемых сечений (рис. 1) представлены в Таблице I.

Таблица 1

Профиль канала Геометрические характеристики канала Лэкв. м Л»'

Треугольный ф = 0° о=0,0107м; £>3„=0,1м; 1=0,075м; dmr0,08м; d„„.=0,l 142м; L =2,098м; п=6,5 0,0062 5,024 10 s

Треугольный ф = 180° я=0,0107м; Оц/=0,1м; Г=0,075м; ¿д„=0,0858м; і/мгО, 1204м; L =2,098м; п=6,5 0,0062

Треугольный ф = 45° й=0,0107м; £>JW=0,1м; г=0,075м; 4щ=0,082м; dwl/^0,l 19м; L =2,098м; п=6,5 0,0062

Треугольный ф = 135° о=0,0107м; £>3„=0,1м; г=0,075м; </иН),079м; iW=0,155M; /. =2,098М; П=6,5 0,0062

Квадратный а=0,0071м; Дв/=0,1м; /=0,075м; </ет/=0,085м; с/я „.=0,1 15м; I. =2,098м; п=6,5 0,0071

Ромбический а=0,0071м; 0цг=0,1м; /=0,075м; (4„=0,082м; d,M!i=0,\ 18м; L =2,098м; п=6,5 0,0071

Полукруглый ер = 0° о=0,0113м; £>лг=0,1м; г=0,075м; du!f=0,0849м; 4,,р=0,1 132м; L =2,098м; п=6,5 0,0069

Полукруглый <р = 180° о=0,0113м; «1„=0,1м; (=0,075м; dJUH>,0875м; i/„ir=0,l 147м; L =2,098м; п=6,5 0,0069

Результаты теплогидравлического анализа показали, что наибольшую теплогидравлическую эффективность при выборе профиля каналов имеют СЗК треугольного (ф = 0°) и квадратного сечений (рис. 1 - 5) по сравнению с СЗК круглого сечения. Комплекс тепловой эффективности Мизмх/Мизмкр имел максимальные значения для СЗК треугольного сечения с углом ориентации <р=0° и квадратного профилей в зоне турбулентного течения и достигал значений 1,13 и 1,06 при Яе(1экв=10000. Комплекс гидравлической эффективности ¡;змх/£змкр во всем диапазоне чисел Леаэкв имел значения ниже 1, т.е. гидравлическое сопротивление СЗК некруглых профилей не превышало сопротивление аналогичных каналов круглого профиля. Исключение составил СЗК полукруглого ф=0° сечения, который в диапазоне 7000>Яе<1экв>10000 имел сопротивление больше круглого сечения и достигал 1,1 при К.еаЭКв=10000. Комплекс т) имел максимальные значения для треугольного ф=0° и квадратного сечений и достигал 1,19 и 1,16 при Ке(Вкв=10000. С последующим ростом чисел Кеаэкв комплекс г| стабилизировался.

Для анализа полученных интегральных характеристик была выполнена визуализация распределения полей температур и давлений, а также построены карты течений в исследуемых СЗК на основе численного моделирования. Обнаружено, что действие центробежных сил во всех сечениях приводило к смещению полей максимальных скоростей и давлений потока жидкости в сторону внешней поверхности каналов, что способствовало возникновению поперечных циркуляции в потоке. В случае СЗК треугольного сечения ф=0° поля максимальных давлений и скоростей распределялись практически вдоль всего основания треугольника (рис. 16), циркуляционные потоки охватывали существенную часть сечения канала по

сравнению с треугольным сечением <р перемешивания среды и теплообмена.

спирально-змеевиковых каналов исследуемого профиля

■>•■ Я*

Рис. 14 К оценке тепловой эффективности спирально-змеевиковых каналов исследуемого профиля

= 180°, обеспечивая интенсификацию

исследуемого профиля

эффективности спирально-змеевиковых каналов исследуемого профиля

Тип канала Условия применения Критериальные уравнения

Спирально- змеевиковый треугольный Вода, 3 < Рг„ < 7, 0,05 < d3KD /DM< 0,164; при Rej< 8000: n = 1,303, / = -0,44, А = 5,5-Ю"4 при 8000<Red3VE<Ю000: п = 2, f= -0,79, А = 1,1-Ю-6 =A-De"d -í^p-" ' l Dlilj / •РгГ

0,05<d3KB/D3M<0,164; при RedM< 8000: q =-0,592, d= 0,546, В = 8,5; при 8000<Red ЭИ1<10000: q = -0,714, d= 0,607, В = 44,2 £d = В • Del • j Л экв <t

Спирально- змеевиковый квадратный Вода, 3 < Ргж < 7, 0,05 < с1Жв / D3M < 0,161; при Red и < 8000: п = 1,23,/ = -0,405, А = 9,3- 10J; при 8000<Red,ra<10000: п = 2,1, f = -0,84, А = 3,7-Ю"7 NuJm=A-Delt d3KB Uw. f •Pr"J

0,05 <d3KB/D3M<0,161; при Red3ra< 8000: q = -0,638, d= 0,569, В =12,5; при 8000<Red »<10000: q = -0,4, d= 0,45, В = 2,4 «эй. (i

На основании численного исследования влияния шага витков 1, отношения (с1экв/Озм) И числа Яеаэкв на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление СЗК треугольного ф=0° и квадратного сечений были получены критериальные уравнения чисел N11 и коэффициентов сопротивления \ (см. Таблицу 2) для последующей разработки инженерной методики теплогидравлического расчета компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью квадратного и треугольного (ф=0°) сечений. За определяющую температуру в зависимостях принята средняя температура жидкости, а за определяющий размер - эквивалентный диаметр <Ькв- Среднее расхождение при определении чисел № и коэффициентов 4 по полученным критериальным зависимостям с исходными данными в диапазоне Ке<,экв<8 ООО составило 9,2% и 11,6%, а в диапазоне 8 000< ЯеЙЭкв<10 ООО - 2,4% и 4,5%.

Таблица 2

Результатами численного моделирования исследуемых СЗК квадратного и треугольного сечений в диапазоне исследуемых параметров 0,16 < сЬкв'Озм < 0,05 и б0()<Яе()экв<10000. соответствующих эксплуатационным особенностям узлов охлаждения КА, определено влияние симплекса сЬкв/Озм и чисел Кс^-в на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление.

Рис. 16 Распределение скоростей в СЗК треугольного Рис. 17 Распределение скоростей в СЗК треугольного сечения <р = 0° при Яе = 1500 сечения <р = ¡80° при Ке = ! 500

В диапазоне чисел И.е<|экв < 10000 значения комплекса ц увеличивались и стабилизировались на границе исследования 9000 < И-е^экв < 10000. Комплекс г| для СЗК треугольного ф=0° и квадратного сечений принимал максимальные значения 1,24 и 1,17 при ёэкв/Озм = 0,05 и Яе()экв = 10 000, что соответствовало наибольшей теплогидравлической эффективности СЗК при наименьшем эквивалентном размере сечения канала и наибольшем диаметре витков в зоне турбулентного течения.

___ .......і....../ і

кж

уг 4

V і ■— 1 Оду - С 111 І Оди •(-.<*« І

- \ .1.1» П<ч« С.СК 1

і

Т

V І і

/ 4 -І-

о їмо 1Ш йорс ГСК- К<Л *ЮО Я«

Рис. 18 Зависимость числа Ыи от числа Яе для спирально-змеевикового канала треугольного ф = 0° сечения при переменном симплексе (<1экб/Озм) Ни .

— .4.4» ..... «я ОІИ»МЙ ; <1|«х 1 А,

dM.1l ¿л? дм» С С.« 2 /

1.1.......

і

ь уж «ад !'/о «<■> ъ» алс Не

Рис. 19 Зависимость коэффициента Ь от числа Яе для спирально-змеевикового канала треугольного <р — 0°

сечения при переменном симплексе (Йэкц/Озм) {

с ы» ;с'>о м» іооо їсос- «ю ?оос «•»:> Яе

Рис. 21 Зависимость коэффициента сопротивления £ от чисел Ие для СЗК квадратного сечения при переменном симплексе ((ІзкіДЬм)

•) юм :•>.» 40сс *«<• ¿«о гс->; «осо *х» Де

Рис. 20 Зависимость числа Ыи от чисел Яе для СЗК квадратного сечения при переменном симплексе

(<ЪквЛЭзм)

Принимая во внимание, что при проектировании компактных узлов охлаждения КА необходимо учитывать и прочностной фактор, был проведен прочностной анализ элемента компактного узла охлаждения с нарезанным на наружной поверхности СЗК с треугольным ф=0° и квадратным поперечным сечением с использованием

программного комплекса АК8У8. Выявлено, что при компоновке узлов охлаждения в фиксированных диаметральных границах (например, вписанных в кольцевой объём, занимаемый водяной рубашкой охлаждения гильзы цилиндра), применение в СЗК треугольного профиля СЗК обеспечивают по сравнению с квадратным профилем СЗК большую величину коэффициента запаса прочности (до 60% для рассмотренных конструктивных параметров и условий нагружения).

Для этих же вариантов исполнения компактного узла охлаждения был проведен расчет чисел N1) и коэффициентов сопротивления ^ по полученным ранее критериальным зависимостям. Результаты расчета представлены на рис. 24, 25 в координатах N11 = Г (Яеаэкв) и 4 = ? (Яеаэкв). СЗК треугольного поперечного сечения ((р=0°) превосходили по теплоотдаче СЗК квадратного профиля до 16% при сравнительно одинаковых потерях давления.

Для оценки эффективности применения в компактных узлах охлаждения компрессорных агрегатов СЗК треугольного профиля были рассмотрены следующие узлы: рубашка водяного охлаждения цилиндра поршневого компрессора, бессмазочный охлаждаемый полимерный подшипник скольжения типа «втулка-вал» и теплообмен ный аппарат.

Применение спирально-змеевиковой проточной части треугольного сечения в водяной рубашке охлаждения цилиндра одноступенчатого малорасходного поршневого компрессора при средней температуре стенки 330 К, идеальной мощностью компрессора 175 Вт, среднем тепловом потоке от стенки 100 Вт, диаметре цилиндра 0,038м, толщине чугунной стенки 0,003 м и температуре охлаждающей жидкости 307 К по сравнению с гладкостенными водяными рубашками обеспечило снижение насосных затрат мощности примерно на 40%, увеличение эффективного КПД компрессора примерно на 4%.

спирально-змеевиковых каналов, вписанных в чисел Ие для спирально-змеевиковых каналов, ограниченное кольцевое пространство вписанных в ограниченное кольцевое пространство

Применение спирально-змеевиковой проточной части треугольного сечения в проточке стального вала для охлаждения бессмазочного подшипника (при использовании антифрикционного материала Ф4РМ, с контактным давлением 0,17 МПа, скоростью вращения 10,5 м/с, длиной и внутренним диаметром подшипника 0,2 м, толщиной стенки вала 0,005 м, углом контакта 60°, средней температурой на поверхности вала 354К, входной температурой жидкости 323К позволило по сравнению с гладким сквозным каналом внутри вала снизить массовый расход жидкости на 60% и гидравлические потери более чем в 1,5 раза, повысить коэффициент компактности узла охлаждения на 90% (с 48 м2/м3 до 92 м2/м3).

С целью улучшения технических характеристик охладителя воздуха 2-й ступени мембранного компрессора производства ОАО «УКЗ» была предложена его модернизация с использованием в проточной части СЗК с треугольным поперечным сечением с углом поворота вокруг оси канала <р=0° (рис. 26). Сравнительные лабораторные испытания существующего заводского и вновь разработанного теплообменных аппаратов показали, что они обеспечивают одинаковую тепловую эффективность. Режимные параметры охладителя: массовый расход сжатого воздуха 0,012 кг/с, давление сжатого воздуха на входе в охладитель 9,4 МПа, температура сжатого воздуха на входе 418 К, температура сжатого воздуха на выходе 313 К, температура воды на входе 307 К, температура воды на выходе 311 К, массовый расход воды 0,084 кг/с, коэффициент запаса по теплообменной поверхности не менее 10%, коэффициент запаса прочности п=2,4. Модернизированный охладитель воздуха со спирально-змеевиковой проточной частью треугольного профиля при равных прочих условиях позволил снизить массу существующего теплообменного аппарата на 41%, и повысить коэффициент компактности на 53% (с 90 м2/м3 до 138 м2/м3).

б) в)

Рис. 26 Модернизированный охладитель газа мембранного компрессора ОАО «УКЗ» со спирально-змеевиковой проточной частью треугольного сечения: а) - эскиз теплообменного аппарата, б) - труба со спирально-змеевиковыми каналами треугольного сечения, в) - теппообменный аппарат в сборе.

Выводы и результаты.

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Разработана методика конечно-элементного расчета процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА.

2. Получены уточнённые критериальные зависимости для определения чисел Ки и коэффициентов сопротивления 4 для СЗК квадратного и треугольного сечений при

использовании в качестве охлаждающей жидкости воды в диапазоне 600 < Ле^кв < 10000 и 3 <Рг < 7.

3. Получены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК с различным поперечным сечением и проведена сравнительная оценка их интегральных теплогидравлических характеристик. Обоснована возможность и целесообразность применения СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений в компактных узлах охлаждения КА.

4. Разработана инженерная методика расчета компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов со СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.

5. По результатам проведенного расчётного параметрического анализа влияния конструктивных и режимных факторов на теплогидравлические показатели компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью некруглого сечения и по результатам испытаний опытных лабораторных образцов таких узлов разработаны рекомендации по их конструированию, в том числе:

- наибольшая теплогидравлическая эффективность (около 1,2 при Кеаэкв <10000 и <1Экв/Озм = 0,05) достигается при использовании в проточной части компактных узлов охлаждения СЗК с треугольным (при угле поворота профиля относительно оси канала <р=0°) и с квадратным поперечными сечениями;

- при размещении компактного узла охлаждения КА в ограниченном компоновочном кольцевом пространстве с фиксированными диаметральными и осевыми размерами наибольшую теплогидравлическую эффективность и прочность конструкции обеспечивает спирально-змеевиковая проточная часть треугольного сечения;

- высокая технологичность изготовления проточной части узлов охлаждения со СЗК треугольного и квадратного поперечных сечений при сохранении высоких технических характеристик таких узлов (теплогидравлическая эффективность, компактность и прочность) позволяет говорить о целесообразности предпочтительного использования таких конструкций в КА по сравнению с известными узлами охлаждения типа «цилиндрическая водяная рубашка» и «спирально-змеевиковые каналы с круглым поперечным сечением».

Основные публикации по теме диссертации.

Статьи в журналах Перечня ВАК

1. Юша, В. Л. Теоретический анализ процессов теплообмена и гидродинамики в спирально-змеевиковых каналах с некруглым поперечным сечением / В. Л. Юша, Е. В. Сухов//Омский научный вестник. -2011. -№ 3 (103).-С. 186-190.

2. Юша, В. Л. Визуализация теплогидравлических процессов в криволинейных каналах теплообменного оборудования компрессорных, энергетических и теплоэнергетических агрегатов / В. Л. Юша, Е. В. Сухов, А. Н. Сухова, В.А. Мещеряков // Омский научный вестник. -2012. -№ 1 (107). - С. 257-261.

3. Юша, В. Л. Инженерный анализ компактных теплообменных устройств типа «труба в трубе» со спирально-змеевиковой проточной частью для компрессорных и холодильных агрегатов / В. Л. Юша, Е. В. Сухов, Ю. К. Машков, В. Н. Сорокин, А. А. Гладенко // «Компрессорная техника и пневматика». - М., 2012. - №2 - С. 33-36.

Статьи в научных изданиях

4. Юша, В. Л. Интенсификация охлаждения бессмазочных ступеней объемных компрессоров / В. Л. Юша, С. С. Бусаров, Д. Г. Новиков, Е. В. Сухов // Тр. XIV

Междунар. науч.-тех. конф. по компрессорной технике / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа».-Казань, 2007.-Т. 1.-С. 144-150.

5. Юша, В. J1. Термомеханический анализ элементов проточной части спирально-змеевикового теплообменника высокого давления / В. JI. Юша, Е. В. Сухов // Динамика систем, механизмов и машин : Материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. / Омский государственный технический университет,- Омск, 2007. - Кн. 2. - С. 91-95.

6. Сухов, Е. В. Влияние ориентации поперечного сечения треугольного спирально-змеевикового канала на эффективность узлов охлаждения компрессорного, энергетического и технологического оборудования / Е. В. Сухов И Динамика систем, механизмов и машин : Материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. / Омский государственный технический университет. - Омск, 2009. - Кн. 2. - С. 150-154.

7. Сухов, Е. В. Интенсификация теплообмена в спирально-змеевиковых элементах узлов охлаждения компрессорного оборудования / Е. В. Сухов, В. Л. Юша // Динамика систем, механизмов и машин : Материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. / Омский государственный технический университет. - Омск, 2009. - Кн. 2. - С. 154158.

8. Сухов, Е. В. Теплообменные аппараты со спирально-змеевиковой проточной частью / Е. В. Сухов, А. А. Шипунова // Инновационные разработки в области техники и физики низких температур : Тез. докл. междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи // Московский государственный университет инженерной экологии. -М. ,2010.-С. 196-198.

9. Юша, В. Л. Компактные системы охлаждения компрессорных машин и установок с объёмной турбулизацией потока / В. Л. Юша, Е. В. Сухов // Тр. XV Междунар. науч.-тех. конф. по компрессорной технике / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа». - Казань, 2011. - Т. 2. - С. 279-285.

10. Сухов, Е. В. Сравнение данных по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению для прямых и спирально-змеевиковых каналов, полученных методом экспериментального исследования и математического моделирования в ANSYS CFX / Е. В. Сухов, А. Н. Сухова // Материалы I науч. - техн. конф. аспирантов, магистрантов, студентов Нефтехимического института ОмГТУ и учащихся старших классов, посвященной 10-летию Нефтехимического института ОмГТУ / Омский государственный технический университет. - Омск, 2011. - С. 206-213.

11. Сухов, Е. В. Методика экспериментального исследования теплоотдачи и гидродинамики в спирально-змеевиковых каналах / Е. В. Сухов, А. Н. Сухова, А. А. Шипунова // Материалы I науч. - техн. конф. аспирантов, магистрантов, студентов Нефтехимического института ОмГТУ и учащихся старших классов, посвяшенной 10-летию Нефтехимического института ОмГТУ / Омский государственный технический университет. - Омск, 2011. - С. 213-219.

12. Сухов, Е. В. Методика расчетно-теоретического исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в спирально-змеевиковых каналах сложной формы / Е. В. Сухов, А. Н. Сухова // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса : Матер. Междунар. науч.-практ. конф. / Омский государственный технический университет. - Омск, 2011. - С. 195-198.

13.Юша, В. Л. Анализ процессов теплообмена и гидродинамики в змеевиковых каналах треугольного сечения, ориентированного относительно винтовой оси / Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках : [электронный ресурс] / В.Л. Юша, Е.В. Сухов. - Электрон, текст, дан. (291 Mb) - М., 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Свид. о гос. per. №.0321102743 от 20.10.2011.

Подписано в печать 09.04.2012. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.п.л. 1,25. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Тип.зак. 33 Заказное

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050, Омск-50, пр. Мира, 11

61 12-5/2738

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДА РАСЧЁТА КОМПАКТНЫХ СПИРАЛЬНО-ЗМЕЕВИКОВЫХ УЗЛОВ ОХЛАЖДЕНИЯ

КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.04.06 «Вакуумная, компрессорная техника и

пневмосистемы»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

СУХОВ ЕВГЕНИИ ВИКТОРОВИЧ

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Юша В.Л.

Омск-2012 г.

Оглавление

Оглавление............................................................................ 2

Введение............................................................................... 5

Список условных обозначений.................................................... 13

1. Анализ современного состояния научных исследований и прикладных разработок в области компактных теплообменных устройств компрессорных агрегатов......................................... 14

1.1 Анализ технических решений в области создания компактных теплообменных устройств компрессорных агрегатов........................ 14

1.2 Анализ теоретических методов расчёта теплогидравлических процессов и теплообменных устройств на базе спирально-змеевиковых каналов............................................................... 36

1.2.1 Полуэмпирические методы расчета....................................... 36

1.2.2 Численные методы расчета................................................. 46

1.2.3 Сравнительный анализ критериальных уравнений теплоотдачи и коэффициентов гидравлического сопротивления............................ 50

1.3 Обзорный анализ экспериментальных методов исследования процессов теплообмена и гидродинамики в проточной части теплообменных устройств......................................................... 56

2. Методика конечно-элементного расчета процессов течения и теплопередачи в теплообменных устройствах со спирально-змеевиковой проточной частью................................................ 65

2.1 Допущения, расчетная схема, основные расчетные уравнения и условия однозначности.............................................................. 65

2.2 Реализация методики конечно-элементного расчета..................... 72

2.3 Проверка методики конечно-элементного расчета....................... 76

2.3.1 Верификация результатов теплогидравлического расчета в АШУ8 СБХ для прямолинейного и спирально-змеевикового каналов

круглого сечения..................................................................... 76

2.3.2 Верификация результатов теплогидравлического расчета в ANSYS CFX для спирально-змеевикового канала треугольного

сечения.................................................................................. 80

2.4 Методика определения чисел Nu и коэффициентов сопротивления при численном моделировании в ANSYS CFX................................ 82

3. Экспериментальные исследования процессов течения и теплопередачи в теплообменных устройствах с прямолинейной и спирально-змеевиковой проточной частью................................ 85

3.1 Описание экспериментального стенда и измерительного комплекса 85

3.1.1 Прямолинейный канал круглого сечения (экспериментальная поверхность №1)..................................................................... 90

3.1.2 Спирально-змеевиковый канал круглого сечения (экспериментальная поверхность №2)........................................... 94

3.1.3 Спирально-змеевиковый канал треугольного сечения (экспериментальная поверхность №3)........................................... 97

3.2 Тарировка термопар............................................................. 104

3.3 Методика проведения эксперимента........................................ 106

3.4 Погрешности измерений....................................................... 108

3.4.1 Определение погрешностей прямых измерений....................... 111

3.4.2 Определение погрешностей косвенных измерений.................... 114

3.5 Методика обработки экспериментальных результатов........ .......... 115

3.6 Результаты экспериментальных исследований........................... 120

4. Параметрический анализ влияния конструктивных и режимных факторов на теплогидравлические характеристики

спирально-змеевиковых теплообменных устройств..................... 124

4.1 Влияние формы поперечного сечения канала и его ориентации вокруг своей оси на теплогидравлические характеристики спирально-змеевиковых теплообменных устройств ........................................ 124

4.2 Получение критериальных уравнений для спирально-змеевиковых каналов квадратного и треугольного ф=0° сечений......................................................141

4.3 Комплексная оценка теплогидравлических и прочностных факторов на конструкции узлов охлаждения компрессорных агрегатов 153

4.4 Примеры использования узлов охлаждения со спирально-змеевиковой проточной частью........................................................................................................162

4.4.1 Рубашка водяного охлаждения цилиндра поршневого компрессора......................................................................................................................................................162

4.4.2 Узел трения..........................................................................................................................................166

4.4.3 Теплообменный аппарат........................................................................................................169

Заключение...............................................................................................177

Список литературы..................................................................................................................................179

Приложение......................................................................................................................................................195

Введение

При создании 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 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.

Целью диссертационного исследования является повышение эффективности компактных узлов охлаждения КА путём интенсификации теплообмена в СЗК. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику конечно-элементного расчета процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК узлов охлаждения КА на базе прикладного пакета программ АШУБ СБХ.

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.

5. Выполнить сравнительный анализ эффективности СЗК треугольного, квадратного и полукруглого сечений с СЗК круглого сечения.

6. 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 компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью некруглого сечения.

8. Разработать рекомендации по конструированию компактных узлов охлаждения КА.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса интенсификации теплообмена в тепловых устройствах энергетических машин и установок, представлена классификация существующих способов интенсификации теплообмена в каналах, приведен обзорный анализ теоретических и экспериментальных методов исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов теплообменных устройств на основе работ таких исследователей как Кутателадзе С.С., Щукин В.К., Дрейцер Г.А., Дзюбенко Б.В., Терехов В.И., Кузьма-Кичта Ю.Ю., Леонтьев А.И., Петухов Б.С., Калинин Э.К., Ярхо С.А., Исаев С.А., Тарасевич С.Э., Лобанов И.Е., Комов А.Т. и др., внесших неоценимый вклад в развитие исследований по интенсификации теплообмена, а также работ по совершенствованию систем охлаждения компрессорного оборудования таких исследователей, как Пластинин П.И., Прилуцкий И.К., Хрусталёв Б.С., Кабаков А.Н., Щерба В.Е., Парфенов В.П., Калекин B.C., Юша В.Л. и др.

В большинстве существующих работ рассматривались преимущественно рабочие процессы, протекающие в элементах систем охлаждения, тогда как при конструировании компактных узлов охлаждения существенным фактором становится их технологичность и возможность размещения в ограниченном компоновочном пространстве. В дополнение к этому представлен анализ методик теоретического и экспериментального определения коэффициентов

теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а также телпогидравлической эффективности теплообменных каналов. Проведен сравнительный анализ известных критериальных уравнений по определению чисел N11 и коэффициентов сопротивления трения для прямых и спирально-змеевиковых каналов круглого сечения в диапазоне чисел 600<Кес1Экв<Ю000 с рабочим телом вода. Наиболее близкие друг к другу результаты по числам Ми и коэффициентам для прямых каналов в рассматриваемом диапазоне Кес1ЭКВ получены по уравнениям Р. Норриса, X. Хаузена, Ж. Пуазейля и Г. Блазиуса. В случае спирально-змеевиковых каналов наиболее близкие друг к другу результаты дают критериальные зависимости, предложенные В.К. Щукиным, М.Адлером и X. Ито. Выявлено, что критериальные уравнения чисел Ми и коэффициентов % известны только для СЗК круглого сечения. Последнее говорит о необходимости исследования СЗК с некруглым поперечным сечением, которые являются более технологичными применительно к компактным узлам охлаждения КА, в том числе треугольной и квадратной формы.

Во второй главе представлена разработанная методика КЭР процессов теплообмена и течения жидкости в СЗК с различной формой поперечного сечения и с различной ориентацией этого сечения вокруг оси канала, реализованная с использованием программного пакета А^УБ СБХ. Задача теплогидравлического анализа решалась на основе дифференциальных уравнений неразрывности, движения, энергии и теплоотдачи с использованием безтурбулентной, к-е и к-ю моделей турбулентности. Выбор указанных моделей турбулентности обоснован проведенным сопоставительным анализом представленных в приложениях А^УБ моделей турбулентности. Представлены допущения, условия однозначности и расчетная схема математической модели. Приведены основные расчетные уравнения. Описана методика реализации модели в пакете программ АЫ8У8 С¥Х.

Выполнена поверка методики КЭР на адекватность путем сравнения полученных по результатам численного моделирования в АЫБУБ СБХ чисел N11 и коэффициентов сопротивления трения с числами N11 и полученные по выбранным в главе 1 критериальным зависимостям, а также с числами N11 и полученными по результатам экспериментального исследования каналов круглого и треугольного сечений, представленных в 3 главе. Дана оценка среднего расхождения между теплогидравлическими показателями модели с экспериментальными данными и результатами расчета по существующим инженерным зависимостям.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. Для их проведения была разработана методика и стенд для реализации последней, а также комплект экспериментальных образцов: прямолинейный теплообменный элемент с круглым сечением проточной части, спирально-змеевиковый теплообменный элемент с круглым сечением проточной части, спирально-змеевиковый теплообменный элемент с треугольным сечением проточной части. Целью исследований являлась проверка на адекватность разработанной математической модели.

Представлено описание экспериментального стенда для проведения исследований теплогидравлических характеристик, а также экспериментальных образцов. Описана методика проведения и обработки результатов экспериментального исследования. Применяемое на стенде оборудование позволило изменять скорости, расходы и числа Яеаэкв жидкости в довольно широком диапазоне 0,07 < сэ < 1,5 м/с, 0,0036 < О < 0,075, 600 < Яе^ < 10000, а также варьировать рабочие тепловые потоки 2650 < Цст < 55500 Вт/м2. Диапазоны чисел Рейнольдса и скоростей соответствуют режимам работы узлов охлаждения компрессорных агрегатов.

Дана оценка погрешности косвенного экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов. Полученные результаты являются удовлетворительными для подобного рода

теплофизических исследований. Приведены графические результаты экспериментального исследования.

В четвёртой главе представлены результаты численного параметрического анализа процессов теплоотдачи и течения жидкости в спирально-змеевиковых каналах компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов и влияния конструктивных и режимных факторов на их интегральные теплогидравлические характеристики, выполненного с использованием лицензионного программного продукта АШУБ СБХ. Изменяемыми параметрами являлись: форма сечения спирально-змеевиковых каналов при разных углах ориентации сечения относительно собственной оси ф, число Яе^ет и геометрический симплекс отношения эквивалентного геометрического размера сечения к осевому диаметру спирально-змеевиковых каналов. Постоянными параметрами являлись: осевой диаметр змеевикового канала, площадь поперечного сечения канала, число, шаг витков спирально-змеевиковых каналов и их длина. Представлены графические результаты исследования в виде комплексов тепловой Шзм х^и3м кр, гидравлической ^зм х/^зм кр и теплогидравлической ц эффективностей. Для анализа полученных интегральных характеристик была выполнена численная визуализация и построены карты течений исследуемых спирально-змеевиковых каналов.

Для разработки инженерной методики теплогидравлического расчета компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов со спирально-змеевиковой проточной частью квадратного и треугольного сечений были получены критериальные уравнения для определения чисел N1* и коэффициентов сопротивления Определены средние расхождения

полученных критеариальных уравнений с исходными данными.

Принимая во внимание, что при проектировании компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов необходимо учитывать и прочностной фактор, был проведен прочностной анализ элемента компактного узла охлаждения с нарезанным на наружной поверхности спирально-змеевиковых

каналов с треугольным и квадратным поперечным сечением. Для этих же вариантов исполнения компактного узла охлаждения был проведен расчет чисел N11 и коэффициентов сопротивления по полученным ранее критериальным зависимостям.

Для оценки эффективности применения в компактных узлах охлаждения компрессорных агрегатов спирально-змеевиковых каналов треугольного профиля были рассмотрены следующие узлы охлаждения: рубашка водяного охлаждения цилиндра поршневого компрессора, бессмазочный подшипник скольжения и теплообменный аппарат. Дана оценка потенциала применения спирально-змеевиковых каналов треугольного пр�