автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Тепломассообмен при течении водного аэрозоля в каналах компактных теплообменников

и О

На правах рукописи

Чичиндаев Александр Васильевич

ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ТЕЧЕНИИ ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ В КАНАЛАХ КОМПАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

05.14.05 - теоретические основы теплотехники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1998

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, .

доцент!Хозе A.H.j Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Терехов В.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Зайчик Л.И.

кандидат технических наук, с.н.с. Кабов O.A.

Ведущая организация:

Государственный Сибирский НИИ авиации им. Чаплыгина С.А.

Защита состоится " " 1998 г. в 930 часов на заседании

диссертационного совета К 002.65.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теплофизики СО РАН (630090, г. Новосибирск, пр. Акад. Лаврентьева, 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор £_____В.Н.Ярыпш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной энергетической, авиационной и холодильной технике доя обеспечения интенсивного охлаждения элементов оборудования используются двухфазные дисперсные потоки. Кроме экономии материальных и энергетических ресурсов это в ряде случаев улучшает условия работы теплонапряженного оборудования и повышает его ресурс.

Определяющими процессами при воздушно-испарительном охлаждении оборудования являются совместно протекающие теплоотдача от стенок канала к теплоносителю, а также интенсивный тепломассообмен, вызванный испарением с поверхности капель. Модельное представление и расчет такого процесса является важной и сложной задачей. Решение ее представляет интерес в других областях техники, например, в атомной энергетике, где имеют место подобные процессы при течении паро-капельных потоков в закрнзисном режиме.

К настоящему времени более подробно изучена теплоотдача к крупиодис-персному воздухо-водяному потоку для каналов с большими эквивалентными диаметрами. Разработка нового поколения авиационных систем кондиционирования (Ту-204) поставила задачу о воздушно-испарительном охлаждении компактных теплообменников, для которой характеры низкотемпературный двух- и трехфазный теплоноситель и малый эквивалентный диаметр теплообменных каналов. Исследования в этой области практически отсутствуют.

Цслыо работы является изучение особенностей тепломассообмена в низкотемпературном теплоносителе, содержащем трехфазный водный аэрозоль; экспериментальное и аналитическое исследование теплопередачи к многофазному теплоносителю.

Научная новизна результатов, полученных в настоящей работе состоит в следующем:

- экспериментально исследован процесс теплоотдачи к многофазному потоку водного аэрозоля в каналах с малым эквивалентным диаметром в переходном и турбулентном режимах течения и предложены обобщающие зависимости;

- предложена форма обобщающей зависимости, приводящая результаты к известным соотношениям для однофазного течения;

- разработана двухслойная равновесная (гомогенная) модель тепломассообмена, основанная на приближении термодинамического равновесия в двухфазном парогазокапельном потоке;

- с помощью указанной модели выполнено численное исследование процесса теплоотдачи к многофазному потоку для различных граничных условий (в том числе на участках тепловой стабилизации) и сделано сравнение с полученными опытными данными и результатами других исследователей;

- с помощью указанной модели выполнено численное исследование процесса локальной теплопередачи в компактном перекрестноточном теплообменнике с двухфазными теплоносителями и учетом особенностей теплоотдачи на участках тепловой стабилизации каналов; сделано сравнение с экспериментами и другими моделями расчета;

- разработан прикладной пакет программ и решена задача оптимизации конструкции теплообменных аппаратов, работающих на многофазных теплоносителях.

Практическая ценность. Результаты, полученные при исследовании тепломассообмена к многофазному потоку водного аэрозоля, могут быть использова-

ны для оптимизации теплообменного оборудования, использующего многофазные теплоносители с фазовыми превращениями как в самом теплоносителе, так и на границе с поверхностью. Экспериментальные данные и результаты численного исследования теплоотдачи к потоку водного аэрозоля могут послужить основой и для изучения многофазных теплоносителей в иных термогазодинамических условиях.

Разработан пакет программ для расчета локального теплообмена в перекрестно-точном компактном теплообменнике с двухфазным теплоносителем. С его помощью были решены несколько актуальных задач в интересах авиационной промышленности. Задачи формировались предприятиями "Наука" и ОКБ им. Туполева А.Н. (г. Москва) в рамках НИОКР отраслевой лаборатории НИ-ЛОС при кафедре МОЛА НГТУ. Основное направление - исследование особенностей работы разрабатываемой системы кондиционирования самолета ТУ-204 на влажном воздухе. Результаты работы в виде отдельных разделов включены в 15 отчетов о НИР /18/. В настоящее время пакет программ используется для курсового и дипломного проектирования в НГТУ и МАИ.

Кроме того материалы диссертации использовались для создания учебных курсов по специальности 131110: "Системы жизнеобеспечения и защиты ЛА" НГТУ. В частности, разработан комплекс из 8 лабораторных работ по "Программированию" для 1...2 курса /13/. Созданы два специальных учебных курса: "Теплообменные устройства" /12,14,15/ и "Компьютерное моделирование теплофизических процессов" /16,17/. Материалы диссертации использовались для написания соответствующих методических указаний, а также в лекционном материале.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи к низкотемпературному потоку водного аэрозоля в теплообменных каналах с малым эквивалентным диаметром.

2. Равновесная (гомогенная) физическая модель тепломассообмена при теплоотдаче к мелкодисперсному потоку водного аэрозоля в приближении пограничного слоя.

3. Математическая модель и результаты численного исследования теплоотдачи к трехфазному потоку водного аэрозоля при различны граничных условиях.

4. Инженерная методика расчета процесса теплопередачи в перекрестно-точном теплообменнике с двухфазными теплоносителями в обоих трактах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: 4, 5 Всес.шк.мол.уч. и спец. "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск: 1986, 1988 г); 2,3 Всес.конф.мол.уч. и спец. "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск: 1987, 1989); Минском международном форуме "Тепломассообмен - ММФ" (Минск, 1988); 2 Всес.конф. "Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации" (Рига, 1988); 2 Всес.конф. "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1989); 8 Всес.конф "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1990); отраслевом семинаре министерства авиационной промышленности по системам кондиционирования воздуха (Москва, 1992); 2-й Международной научно-практической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск, 1997); К011Ш'98.

The second Russian-Korean international symposium on science and technology (Tomsk, Russia, 1998).

Публикации работы. Основное содержание работы отражено в тридцати печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 60 рисунков, списка литературы - 155 наименования и Приложения на 20 стр. Всего - 195 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и научная новизна темы. Показывается необходимость и своевременность решения задачи о совместно протекающих процессах теплоотдачи и тепломассообмена при испарении водного аэрозоля в теплообменных каналах малого эквивалентного диаметра. Делается вывод о элементах нового, вносимого в экспериментальное решение проблемы, а также в разработку теоретической модели для описания и расчета теплоотдачи в многофазным дисперсным потокам.

Первая глава содержит обзор опубликованных работ по гидродинамике и тепломассообмену многофазных дисперсных потоков теплоносителей и особенностям теплообмена в компактных теплообменниках.

Первый раздел посвящен классификации и описанию основных типов двухфазных дисперсных теплоносителей. Показывается, что в технике в зависимости от состава газокапельных потоков встречаются три группы теплоносителей: одпокомпонентный парокапельный поток, двухжомпонентный воздухо-водяной поток, многокомпонентный двухфазный поток с химическими реакциями и при горении тошшв.

Во втором разделе анализируются экспериментальные методы и результаты работ по изучению теплоотдачи к двухфазным потокам. Наиболее изученным является режим закризнсного теплообмена, работы по которому охватывают практически всю область режимных параметров. Приводятся типы критериальных уравнений для описания теплообмена. Менее изучена теплоотдача при воз-душно-испарнтельном охлаждении, исследованная выборочно, для ограниченной области параметров. Приводятся результаты и основные типы критериальных уравнений, полученных дан высоко- и умереннотемпературного воздушно-испарительного охлаждения. Подчеркивается, что экспериментальных данных по отрицательных начальных температурах воздуха не обнаружено.

Третий раздел содержит анализ теоретических работ по тепломассообмену при теплоотдаче к двухфазным дисперсным потокам. Кратко характеризуются три модели для их описания, степень их проработки, а также те трудности, которые встречаются при их математическом описании. Для описания закризисно-. го теплообмена наибольшее распространение получила гетерогенная модель, учитывающая различную скорость и массообмен на границе раздела фаз в наиболее общем виде, а также различные модели в приближении пограничного слоя, учитывающие тепломассообмен в ядре потока и в пограничном слое. Основной трудностью во всех моделях является корректное описание взаимодействия между фазами.

В меньшей степени используется гомогенная модель, в силу проблемы достоверности такого подхода. Применение последней модели для задач воздуш-

по-испарнтельного охлаждения более предпочтительно. Однако, в ряде инженерных задач качественное соответствие с опытами дают интегральные гомогенные модели, учитывающие только балансовые соотношения для тепло- и массопереноса. Другим недостатком является трудоемкий и малоэффективный графоаналитический метод решения систем уравнений, традиционно используемый в этом случае.

В четвертом разделе приводятся имеющиеся в литературе данные о некоторых особенностях кинетики образования и массообмена водного аэрозоля, гидродинамике аэрозольных частиц, теплообмена в начальных участках тепло-обменных каналов. Основное внимание уделено анализу механизма образования водного аэрозоля субмикронных частиц. В литературе по гидродинамике твердых аэрозольных частиц установлено, что такие частицы являются безинерци-онными. Из работ по кинетике образования атмосферного и технического водного аэрозоля были получены данные о закономерностях замерзания водного аэрозоля при отрицательных температурах воздуха.

Немаловажные обстоятельства решаемой задачи вытекают из конструктивных особенностей компактных теплообменников, а именно: малый эквивалентный диаметр и ограниченная длина теплообменных каналов. В работе приведены имеющиеся данные об экспериментальном изучении теплообмена на начальном участке каналов и поверхностей. Однако, все они относятся к плоским поверхностям в нестесненных условиях, либо трубам и каналам с большим эквивалентным диаметром, и, в основном, для однофазных потоков. Ввиду этого общая картина теплоотдачи в каналах компактных теплообменников остается малоисследованной.

В заключении главы сформулированы основные задачи, стоящие при решении задачи о теплоотдаче к многофазному потоку водного аэрозоля в каналах с малым эквивалентным диаметром каналов. Указано, что наиболее рациональным и информативным будет экспериментально-теоретический путь исследования проблемы. При этом в экспериментах целесообразно: ] - установить особенности теплообмена по длине каналов; 2 - выявить основные закономерности для тепломассообмена при теплоотдаче к многофазному теплоносителю. В теоретической части, на базе известных методик и установленных в экспериментах закономерностях, необходимо будет: 1 - построить физическую картину тепло-массопереноса для двухфазного дисперсного потока; 2 - разработать модель математического описания тепломассообмена; 3 - провести расчетные исследования на оптимум характеристик компактных теплообменников.

Глава вторая посвящена результатам экспериментального исследования тепломассообмена. В первом разделе сформулированы основные требования, стоящие перед конструкцией экспериментальной установки и перечислены задачи, которые необходимо решить при экспериментальном исследовании на ней.

Второй раздел посвящен описанию экспериментальной установки (рис. 1). Система подготовки теплоносителя представляет из себя разомкнутый контур, состоящий из последовательно соединенных барботажной камеры, компрессора, системы терморегуляции, турбохолодильника и контрольно-измерительных датчиков расхода, температуры и давления. На выходе из системы подготовки обеспечиваются следующие параметры потока водного аэрозоля: г = -30...-20 °С; 0= 0...0,01 кг/с; с1— 5...20 г/кгс.в.; диаметр аэрозоля ¿50=1,2 мкм, сгд=1,65.

Рабочий участок изготовлен из элемента оребренного пакета компактного теплообменника с габаритами 0,0086x0,24 м и представляет собой систему па-

радлелькых прямоугольных гладких каналов прямоугольного сечения с эквивалентным диаметром d3кв = 2,67 мм. Сверху и снизу пакета установлены электрические нагреватели из стальной фольги толщиной 0,1 мм, обеспечивающие закон теплообмена # = const. Для измерения температур стенки по длине канала в восьми сечениях установлены медь-константановые термопары (рис. 2).

Температура воздуха на входе в канал измерялась шестиспайной термопарой, перепад температуры в канале - с помощью 12-ти спайной дифференциальной термопары. Для регистрации напряжения на термопарах использовался цифровой вольтметр Щ1516. Влажность воздуха измерялась с помощью гигрометра Волна-М. Погрешность в определении критериев коэффициентов тепло-отдач при выбранной схеме измерения не превышала 10 %.

В третьем разделе приведены результаты по осредненнон теплоотдаче и выполненные на ее основе обобщения экспериментальных данных. Первоначально проведено исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления к однофазному потоку, позволившее заключить о достоверности экспериментальных данных, а также - получить базовые данные для сравнения. Результаты обобщения экспериментальных данных в переходной Re = 800...3000 и турбулентной Re ~ 4000...10000 областях (рис. 3) качественно и количественно хорошо согласуются с известными данными для однофазного потока, полученные Кейсом В.М. и Лондоном А.Л. для однотипной поверхности. В частности, в турбулентной области они описываются уравнением. Nu = 0,016

Далее проведено обобщение осредненных данных по теплоотдаче к двухфазному потоку водного аэрозоля. Обработка опытных данных производилась по конвективной составляющей и суммарному количеству тепла, подведенных к двухфазному потоку. В соответствии с этим определялись осредненные коэффициенты теплоотдачи по следующим формулам :

_ gç,(<2" -С ) е„ ' _Gcr(t;-t;)+G(dt-j;yr

а<- F{tim-г) ' F(ic„-ï-y

где: î, , 1, - входная и выходная температура воздуха, t = Û,S(f; + ) -средняя температура воздуха в канале, F - суммарная поверхность теплоотдачи теплообменного канала (включая площадь оребрения), /ст - средневзвешенная температура стенки канала.

Обобщенные данные в координатах Nui ~ А&е) представлены на рис. 4. При этом наблюдается увеличение критерия Nuz на величину до 100 % от значений, полученных для сухого воздуха. Анализ показал, что расслоение данных зависит от количества испарившейся влаги. Для учета двухфазности потока в работе предложено использовать при обобщении дополнительный критерий Jo*, являющийся модификацией известных критериев Кугателадзе к и Якоба Ja\

J а ~ к

"Cr{f(-t[ ) Ук (2)

Р-.Р'1

В отличии от критериев Кутателадзе и Якоба (К, /а), в знаменателе которых стоит теплота перегрева газовой фазы по отношению к температуре насыщения, в использованном критерии /а* применено обезразмеривание скрытой теплоты фазового перехода ц^ (расходуемой на процесс испарения капель в потоке) к явной теплоте (расходуемой на нагрев газовой фазы).

Обработка по методу наименьших квадратов экспериментальной выборки в турбулентной области позволила получить уравнение Ыи ~ЛЯе, Л*) в виде:

М«х= 0,016ЛеО.»( 1+/я*) (3)

При этом коэффициенты в корреляции (3) совпали с данными, полученными для сухого воздуха. При построении обобщенного графика в координатах ЫиУ(\+1а*) - /(Не) опытные точки сгруппировались в пределах погрешности измерений около линии, полученной для сухого воздуха.

Четвертый раздел объединяет результаты, полученные при исследовании локальной теплоотдачи к потоку водного аэрозоля. Типичная зависимость степени интенсификации теплоотдачи на начальном участке представлена на рис. 5 в виде «з»/«!-)(5) = /(х, 10, цст) у=сом, где овд - коэффициент теплоотдачи в сечении стабилизированного теплообмена для сухого воздуха. Увеличение локального коэффициента теплоотдачи на начальном участке составляет 20...50 % на сухом воздухе и достигает 200...300 % на двухфазном теплоносителе. При наличии водного аэрозоля и на участке стабилизированного теплообмена наблюдается интенсификация теплоотдачи до 100 % от случая сухого воздуха.

На рис. 6 представлены результаты сравнения степени интенсификации теплоотдачи для трех базовых сечений: № 1 - /1 / - 1,5; № 2 - к / А = 7,12 для начального участка; Ш5 - к! 34,5 - для стабилизированного участка. Обез-размеривание коэффициентов теплоотдачи «1(1,2,5)/<20(1,2,5) - ЛV) выполнено по отношению к коэффициентам теплоотдачи дая этих же сечений, полученным на сухом воздухе. В качестве экспериментальных точек выбраны режимы с присутствием аэрозоля по всей длине канала, полученные при фиксированной начальной температуре 10 = 0 °С, постоянной плотности теплового потока да -0,7 кВт/м2. В серии варьировалась скорость течения теплоносителя V - 7 ... 50 м/с, а температура стенки по всей длине канала оставалась ниже точки росы и изменялась в небольшом диапазоне значений (ш = 2 ... 8 °С. При этом установлено, что с ростом скорости течения теплоносителя V наблюдается рост интенсификации теплоотдачи в сечениях N° 1, 2 и ее падение для сечения № 5. Последнее связано с сокращением длины начального участка и "сепарацией" аэрозоля из пристенного пограничного слоя на участке стабилизированного теплообмена.

На рис. 7 представлено влияние на степень интенсификации теплоотдачи в сечении № 1 наиболее значимых факторов в виде ащ^аоо) = Л У, 10, !ст ). Данные на этом рисунке представляют собой отношение суммарного коэффициента теплоотдачи аяо к коэффициенту теплоотдачи овд в этом же сечении для сухого воздуха. Установлен следующий характер влияния параметров: рост скорости теплоносителя V в переходной и турбулентной области сопровождается повышением степени интенсификации; рост начальной температуры теплоносителя г0 сопровождается падением степени интенсификации; рост температуры стенки в сечении 1Ш сначала повышает, а после достижения точки "росы" снижает степень интенсификации. Анализ результатов позволяет заключить о том, что интенсификация теплоотдачи в основном связана с количеством аэрозоля, проникающего в пристенный пограничный слой, а также с интенсивностью процесса испарения, зависящего от температуры окружающей каплю воздушной среды.

В заключении главы приводятся выводы, вытекающие из полученных экспериментальных результатов и сформулированы базовые положения, послужившие основой для разработки в последующем физической модели тепломас-сопереноса при теплоотдаче к многофазному потоку водного аэрозоля.

В третьей главе выполнено расчетное исследование тепломассообмена при теплоотдаче к потоку водного аэрозоля для различных граничных условий.

В первом разделе главы сформулированы основные задачи, стоящие при теоретическом решении задачи, и обосновывается целесообразность и достоверность применения двухслойной равновесной (гомогенной) модели тепломассообмена к данному процессу. В частности, приводится ряд физических особенностей тепломассообмена аэрозольных частиц: превышение давления насыщенных паров у поверхности капли в сравнении с плоской поверхностью; незначительное отклонение температуры аэрозольной частицы от температуры несущей среды; незначительная инерционность аэрозольных частиц.

Второй раздел посвящен разработке модели расчета тепломассообмена в трехфазном потоке водного аэрозоля. Для описания тепломассообмена в предположении Ье~>\ используется уравнение энергии относительно энтальпии многофазной среды:

¿? ¿3 ос] ...

ра>— + рш— = -± , (4)

д*. * ду ф

.. .. Р]

где: ; = > тл, - энтальпия смеси газ-капли ; т. = — - массовая концент-

£ и ' Р

рация ^ой компоненты. Для водовоздушной смеси, в частности, можно будет записать:

Л = г -Ли3 4-гу -йт^ + £ т; Ср,ЛТ (5)

или й = Г/А + г^ + 5>сД*7' (6)

I сП ' (1Т % 1 ")

где индексы соответствуют : 1-воздух, 2-пар, 3-капли, 4-ледяные частицы. Обозначая выражение в скобках как эффективную

теплоемкость Срф , имеем : М = Срф йТ или / = I Срф йТ (7)

Скрытая теплота фазовых переходов при испарении и плавлении внесены в новую переменную СРф:

с + (8)

(/г ¿г у?, )

В работе получена система трансцендентных уравнений для описания функции Срф в интересующем диапазоне температур, в том числе и для случая отрицательных температур. В расчетах полагалось, что двухфазная система находится в локальном термодинамическом равновесии, то есть в каждой точке рассматриваемого течения концентрация пара находится на линии насыщения при данной температуре. Выражение для энтальпии парогазокапельнои смеси записывается как:

; = СРф /р (9)

где : /р - равновесная (адиабатная) температура, соответствующая относительной влажности 100 %; Срф - теплоемкость в процессе с фазовым переходом.

На рис. 8 представлены расчетные линии кривых для эффективной теплоемкости при различных давлениях, концентрациях жидкой фазы при вариации температуры в состоянии равновесия.

В заключении раздела выполнено решение полученного уравнения энергии численным методом для исследования особенностей поведения многофазно-

го потока водного аэрозоля в области отрицательных температур в диапазоне параметров: t — -60...60 °С, d = 0...35 г/кг с.в. (рис. 9). При этом установлено существенное отличие в поведении равновесной температуры аэрозоля при его нагреве в области отрицательных температур. В диапазоне температур t9 = -40...0 °С она расположена ниже равновесной температуры для крупнокапельной влаги, причем при О °С отсутствует горизонтальная площадка, связанная с кристаллизацией жидкости. Достоверность результатов проверена специальной серией экспериментов.

В третьем разделе предложена модель тепломассопереноса в двухфазном дисперсном пограничном слое, разработано для нее математическое описание тепломассообмена и проведено численное исследование особенностей двухфазного пограничного слоя.

Предложенная модель предполагает отсутствие крупномасштабных поперечных перемещений аэрозольных частиц в пределах пограничного слоя. В результате испарение аэрозольных частиц определяется разностью парциальных давлений пара около поверхности раздела фаз в соответствующей точке поперечного сечения пограничного слоя. При этом предполагается, что распределение плотности теплового потока в пределах пограничного слоя остается неизменным, соответствует распределению для однофазного пограничного слоя и определяется только режимом течения. Дифференциальное уравнение энергии (4...9) при этом было дополнено соответствующими граничными условиями, и с помощью консервативной конечно-разностной схемы преобразовано в систему сеточных уравнений. Решение уравнений в пределах толщины пограничного слоя позволило рассчитать эпюры температур поперек пограничного слоя двухфазного теплоносителя.

В заключении раздела выполнено численное исследование поведения температуры в пределах двухфазного пограничного слоя по предложенной модели расчета при следующих условиях: to = -15...15 °С, d = 0...30 г/кг с.в., q — const (рис. 10). При этом установлено, что в случае ограниченного количества водного аэрозоля в определенном сечении пограничного слоя происходит "высыхание" двухфазного потока. В сторону ядра потока от этого сечения наблюдается снижение интенсивности роста температуры в сравнении с однофазным потоком. В прилегающих к стенке сечениях поведение температуры повторяет эпюру температуры для однофазного потока. При избыточном количестве влаги, когда аэрозоль присутствует во всех сечениях пограничного слоя, наблюдается снижение интенсивности роста температуры во всех сечениях пограничного слоя. Влияние начальной температуры на внешней границе пограничного слоя h выражается в большем "сжатии" разности температуры в пределах двухфазного пограничного слоя при более высоких значениях to. Другими словами, при одинаковом режиме течения и количестве подведенного тепла происходит уменьшение перепада температур в двухфазном пограничном слоев сравнении с однофазным.

В четвертом разделе главы сделана оценка достоверности модели расчета. Первоначально для этого выполнено численное решение задачи о теплоотдачи пластины при граничных условиях I рода, соответствующим экспериментальным данным японских авторов Хишиды К., Маеды М., Икай С. При этом получено качественное и количественное согласие с экспериментами. В частности, обработка экспериментов с использованием интегрального по толщине пограничного слоя критерия Ja* позволила обобщить опытные данные. Далее было выполнено численное моделирование теплоотдачи при граничных условиях II

рода для канала с геометрическими размерами и граничными условиями, соответствующими описанному выше рабочему участку экспериментальной установки. Достоверность математической модели проверена путем сравнения экспериментальных и расчетных значений температуры стенки и потока водного аэрозоля для нескольких наиболее характерных режимов. Расчет выполнялся по четырем модификациям модели (рис. 11): модель № 1 (базовая) - начальный участок не рассчитывался, испарение аэрозоля рассчитывалось в ядре потока и не учитывалось в пределах пограничного слоя; модель № 2 (базовая с НУ) - отличается от первой учетом влияния начального участка в соответствии с уравнением (10);

модель № 3 (равновесная идеальная) - отличается от модели № 2 учетом тепломассообмена при испарении аэрозоля в пределах пограничного слоя, причем закладывался "идеальный" закон распределения частиц аэрозоля поперек пограничного слоя по закону ту = const; модель № 4 (равновесная реальная) - отличается от модели № 3 заменой "идеального" распределения частиц на "реальный": ту = var = f(y), причем последний задавался в виде степенной функции, соответствующей турбулентному режиму течения. Сопоставление экспериментов с численными данными позволяет заключить о наибольшей степени согласия с моделью № 4.

В пятом разделе был выполнен численных эксперимент в следующем диапазоне параметров: /о - -30... 15 ОС, d — 0...30 г/кг с.в., q = const для нескольких режимов течения и значений плотности теплового потока q. Полученные при этом данные (рис. 12) позволили выделить три возможные зоны по длине канала с различным характером тепломассообмена, определяемые двухфазпостыо потока.

В первой зоне аэрозоль присутствует как в ядре, так и во всех поперечных сечений пограничного слоя. В результате наблюдается резкое снижение градиентов и абсолютных величин температур стенки и теплоносителя. Во второй зоне происходит "высыхание" пристенной части пограничного слоя. Градиент температуры теплоносителя при этом соответствует двухфазному потоку, а градиент температуры стенки значительно возрастает и превышает таковой для однофазного потока. В третьей зоне, после "высыхания" всего пограничного слоя и ядра потока градиенты температур для теплоносителя и стенки становятся равными градиентам однофазного течения. В зависимости от соотношения h, d, q, а также режима течения, возможно присутствие в канале как всех трех зон, так и первых двух или одной первой.

По полученным численным данным были определены степень интенсификации теплоотдачи (рис. 13) и расстояния до сечения испарения в ядре потока (рис. 14) в зависимости от изменения /о, d. Сравнение численных значений с полученными в экспериментах дает хорошее качественное и количественное согласие.

В заключении главы приведены основные выводы, вытекающие из полученных результатов. Предложенная в работе двухслойная гомогенная модель тепломассопереноса и построенная на ее базе математическая модель для описания тепломассообмена при теплоотдаче к многофазному потоку водного аэрозоля качественно и количественно хорошо согласуется с экспериментальными

(10)

данными. Одновременно с этим полученные результаты доказывают, что для описания тепломассообмена в двухфазных дисперсных теплоносителях нельзя применять как интегральные методики расчета, так и дифференциальные, построенные на системе балансных дифуравнений без учета тепломассообмена в пограничном слое, т.к. это приводит к значительным погрешностям (ввиду многообразия и существенной нелинейности влияющих факторов и условий тепломассообмена).

Четвертая глава содержит описание разработанной на базе модели теп-ломассопереноса инженерной методики расчета перекрестно-точного теплообменника с двухфазным дисперсным теплоносителем и полученные с помощью ее результаты.

В первом разделе перечислены основные трудности, возникающие при математическом моделировании компактных теплообменником и описан подход, примененный в настоящей работе, и заключающийся в решении задачи о влиянии массообмена в многофазном потоке на основные тепловые характеристики теплообменника.

Второй раздел посвящен описанию математической модели, принятых допущений и результатам проверки достоверности модели. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений энергии для горячего (11) и холодного (12) теплоносителей и теплопередачи (13):

где: индекс 1 относится к горячему, а 2 - к холодному теплоносителям.

Для замыкания системы уравнений добавлены необходимые граничные условия в виде критериальных уравнений теплоотдачи Д'и ~/[Яе). При этом не учитывались потери в окружающую среду, теплопроводность стенок и неоднородность эпюр скоростей на входе в теплообменник.

Решение системы осуществлялось численным методом, для чего система дифуравнений была заменена с помощью консервативной конечно-разностной схемы сеточными уравнениями на сетке 10x10 (40x40) узлов. Расчет теплопередачи при этом выполнялся последовательно для каждой элементарной площадки АхАу (рис. 15) до получения с заданной точностью в 0,01 ОС значений температур стенки, холодного и горячего теплоносителя.

Достоверность модели проверена путем моделирования теплообменника, испытанного в НИЛОС НГТУ на двухфазном теплоносителе. Приведены результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных. Получено хорошее качественное и удовлетворительное количественное совпадение. Последнее объясняется принятыми допущениями, а также наличием тепломассообмена в горячем тракте, в то время как в расчете он не учитывался. Необходимо отметить, что при расчете по балансовой методике (не учитывающей тепломассообмен в пограничном слое), погрешность достигала 100 % и не обеспечивала качественного совпадения.

(12)

(10)

(П)

В третьем разделе приводятся результаты численного эксперимента. В первой серии экспериментов исследовалось влияние исходных параметров теплоносителя (температуры, влагосодержания) на эффективность теплопередачи в теплообменнике. В исследованных диапазонах параметров: <1 = 0...30 г/кг с.в., Н = -15...15 °С, обнаружено существенное отклонение параметров теплообмена в теплообменнике в сравнении с работой на однофазном теплоносителе (рис. 16). В частности эффективность теплообмена (определяемая по горячему теплоносителю) возрастала на 60...80 % и была выше при росте начальной температуры /о и влагосодержания <1. Во второй серии экспериментов исследовалось влияние тепломассообмена на теплопередачу в теплообменнике на разных режимах течения теплоносителя и сочетаниях водяных эквивалентов теплоносителей.

В заключении раздела сформулированы особенности теплопередачи в теплообменнике при работе на многофазном теплоносителе и описан механизм роста эффективности теплообмена. В случае двухфазного теплоносителя в холодном тракте происходит существенное снижение температуры стенки, разделяющей теплоносители. В результате возрастает температурный напор между стенкой и горячим теплоносителем. Т.к. эффективность теплоотдачи по обоим трактам остается неизменной (определяется только режимом течения), происходит увеличение количества отводимого тепла, пропорционально изменению температурного напора в горячем тракте.

В четвертом разделе приводятся результаты численных экспериментов, направленных на решеиие задачи об оптимизации конструкции конденсатора для системы кондиционирования воздуха (СКВ) Ту-204. В первой серии экспериментов исследовалось влияние на теплопередачу начального участка тепловой стабилизации. При этом система уравнений (11...13) была дополнена уравнениями (10) для горячего и холодного теплообменных трактов. Для выявления вкладов тепломассообмена и начального участка расчет проводился по модификациям модели, соответствующих № 1...3 третьей главы. Приведен подробный анализ и сопоставление эпюр температур в конденсаторе для различных моделей. В частности, установлено, что до 75 % площади теплообмена попадают в зону действия начальных участков (рис. 17).

Во второй серии экспериментов исследовалось влияние компоновки теплообменника на процесс теплопередачи в конденсаторе. Для этого рассчитывались поля температур при различных вариантах конструкции теплообменников. В случае однозаходного теплообменника расчет выполнялся для 40 типоразмеров при одинаковом объеме теплообменника. В случае многозаход-ных теплообменников исследовались три варианта: двух-, трех- и четырехзаходный теплообменники (рис. 18). Конечной целью был поиск вариантов теплообменников с положительной температурой теплообмеиной поверхностью. Данное условие предотвращает обмерзание конденсатора СКВ.

В заключении раздела изложены основные особенности проектирования конденсатора СКВ с заданными свойствами. При этом излагается алгоритм проектировочного расчета, заложенный в прикладной пакет программ, позволяющий выполнять комплексную - технологическую, тепловую и противообледени-тельную - оптимизацию конструкции конденсатора.

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в работе:

1. Экспериментально исследована теплоотдача к многофазному потоку водного аэрозоля в каналам малого эквивалентного диаметра. Получены новые данные о локальной и средней теплоотдаче. Предложено критериальное уравнение, учитывающее двухфазность потока и позволяющее рассчитывать теплоотдачу по известным данным для однофазного теплоносителя. Установлено сильное интенсифицирующее влияние (в два и более раз) мелкодисперсного водного аэрозоля (d = 1...2 мкм) при относительно небольших его массовых концентрациях (т = | ... 3 %).

2. На основании полученных экспериментальных данных разработана оригинальная равновесная (гомогенная) двухслойная физическая модель тепломассообмена при теплоотдаче к мелкодисперсному потоку водного аэрозоля. Модель учитывает особенности развития пограничного слоя по длине канала и позволяет рассчитывать тепломассообмен при испарении аэрозоля как в начальном участке канала, так и на стабилизированном участке течения.

3. Разработана инженерная методика расчета процесса теплопередачи в перекрестноточном теплообменнике с двухфазными теплоносителями в обоих трактах и исследовано влияние тепломассообмена в многофазном потоке на эффективность работы теплообменника. Показано, что увеличение эффективности теплопередачи в теплообменнике-конденсаторе на 200 ... 300 % связано с изменением термических сопротивлений в горячем и холодном теплоносителях, вызываемым как тепломассообменом в теплоносителях, так и интенсификацией теплоотдачи на начальных участках.

4. Разработан алгоритм и прикладной пакет программ проектировочного расчета компактного перекрестно-точного теплообменника, позволяющий выполнять комплексную технологическую, тепловую и противообледенительную оптимизацию конструкции конденсатора. Представлены результаты оптимизации однозаходного и многозаходного вариантов компоновки теплообменников.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Чичиндаев A.B. Тепломассоперенос в потоке водного аэрозоля // Современные проблемы теплофизики. 4 Всес.шк.мол.уч.и спец. (Тезисы докладов). -Новосибирск, 1986. - С. 39-40.

2. Чичиндаев A.B. Определение равновесной температуры низкотемпературного потока водного аэрозоля // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики. 2 Всес.конф.мол.уч. и спец. (Тезисы докладов). -Новосибирск, 1987. - С. 78-79.

3. Чичиндаев A.B. Тепломассоперенос в двухфазном пограничном слое водного аэрозоля // Современные проблемы теплофизики. 5 Всес.шк.мол.уч. и спец. (Тезисы докладов). - Новосибирск, 1988. - С. 176-177.

4. Чичиндаев A.B. Особенности теплоотдачи к потоку водного аэрозоля // Современные проблемы теплофизики. 5 Всес.шк.мол.уч.и спец. (Тезисы докладов). - Новосибирск, 1988. - С. 178-179.

5. Хозе А.Н., Дьяченко Ю.В., Барашшк С.И., Патрикеев В.Н., Пешков A.A., Чичиндаев A.B. Исследование тепломассообмена в компактных теплообменниках энергетических установок // Тепломассообмен - ММФ. - Минск, 1988. -Ч. 10.-С. 40-42.

6. Чичиндаев A.B. Закономерности тепломассообмена при испарении водного аэрозоля в прямолинейных каналах И Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации. 2 Всес.конф. - Рига, 1988. - Т.2. - С. 116-117.

7. Чичиндаев A.B. Теплопередача в пластинчатых теплообменниках с двухфазным дисперсным теплоносителем II Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики. 3 Всес.конф.мол.исслед. - Новосибирск, 1989. -С. 248-249.

8. Чичиндаев A.B. Исследование теплоотдачи к потоку водного аэрозоля на начальном участке теплообменного канала // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики. 3 Всес.конф.мол.исслед. - Новосибирск, 1989. - С. 250-251.

9. Чичиндаев A.B. Особенности тепломассообмена при фазовых переходах водного аэрозоля в области отрицательных температур // Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем. 2 Всес.конф. (Тезисы докладов). - Одесса, 1989. -Т.1.-С. 45.

10. Чичиндаев A.B. Исследование теплообмена при испарении потока водного аэрозоля в каналах компактных теплообменников // Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах. 8 Всес.конф. - Ленинград, 1990. - Т. 1. - С. 151-152.

11. Дьяченко Ю.В., Пешков A.A., Чичиндаев A.B. Оптимизация конструкции конденсатора, охлаждаемого влажным воздухом с отрицательной температурой // Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах. 8 Всес.конф. - Ленинград, 1990. - Т. 3. - С. 235-236.

12. Расчет и проектирование конденсатора СКВ / Сост. Чичиндаев A.B.; Новосиб. электротехн. ин-т (Метод, указания). - Новосибирск, 1991. - 87 с.

13. Расчет агрегатов СКВ на влажном воздухе / Сост. Чичиндаев A.B.; Новосиб. гос.техн.универ-т (Метод, указания). - Новосибирск, 1994. - 39 с.

14. Пластинчато-ребристые теплообменники / Сост. Чичиндаев A.B.; Новосиб. гос.техн.универ-т (Метод, указания). - Новосибирск, 1994. - 141 с.

15. Оптимизация конструкции пластинчато-ребристых теплообменников / Сост. Чичиндаев A.B.; Новосиб. гос.техн.универ-т (Метод, указания). - Новосибирск, 1996. -40 с.

16. Исследование теплообмена на начальном участке / Сост. Чичиндаев A.B.; Новосиб. гос.техн.универ-т (Метод, указания). - Новосибирск, 1997. - 54 с.

17. Чичиндаев A.B. Компьютерное моделирование теплофизических процессов в курсе "Теплообменные устройства" II Новые информационные технологии в университетском образовании: Материалы Международной научно-практической конференции. - Новосибирск, 1997. - С. 57-58.

18. Описание программы расчета установки охлаждения изд. "204" с уточнениями по результатам испытаний. Передача уточненной программы Заказчику: Отчет о НИР / НЭТИ; руководитель А.Н.Хозе. - № гос.рег. У39492. -Новосибирск, 1987. - 54 с.

19. Chichindaev A.V., Dolgikh A.A. Research of heat transfer in the compact heat exchanger in view of heat exchange on. an initial segment II K.ORUS'98. Tomsk, 1998.-p. 15.

20. Terckhov V.l., Chichindaev A.V., Pakhomov M.A. Numerical research of evaporation of drops at motion of a two-phase flow in a round pipe // KORUS'98. Tomsk, 1998. - p. 27.

Рис. 7. Схомр экспериментально!* установки: а - система подготовки, б - рабочий участон; 1 - барботажный аппарат, 2 - компрессор, 3 -теплообменник, 4 - регулятор расхода воды, 5 - насос, 6 - теплообменник, 7 - влагоотделитель, 8 - турбина ТХ, 9 - выход из системы подготовки, ТО - регулятор расхода воздуха на выходе из системы подготовки, II - регулятор температуры воздуха, 12 - вентилятор Тл 13 - участки сопряжения, 14 - ротаметр, 15 - рабочий кенал.

Рис. 2. Поперечное сечение, габаритные размеры рабочего канала и схема расположения термопар и заборников давления.

Ни

•V

> к *

— — ' ""¿Г -

Л \3_

•

а). Яе

6 в ю'

6 8 10*

6 а ю*

8 10*

Рис 3 Обобщение экспериментальных данных для базовой серии на сухом воздухе' а - теплоотдача: 1 - зависимость N11= 0,018Яе°.8, 2 - эксперименты Кейса В'.М и Лондона А.Л. для однотипной поверхности, 3 - эксперименты автора: б,-гидравлическое сопротивление: I - зависимость ¡;- 64/Ке^ 2 - эксперименты Кейса В М. и Лондона А.Л. дня однотипной поверхности (ГЛР-4, ГЛР-11, IЛР-13), 3 - зависимость £,= 0,3164/Ке0'25, 4,5 - опыты автора на сухом и двухфазном теплоносителе, 6 - опыты Степанчук В.Ф. и Хутскои Н.Г. для крупнодисперсного аэрозоля.

в

з

в

4

4

г

Nus

• -Л

• • 23-• 5-

-- V •••• f

"Л

J/?e

4. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче к двухфазному потоку с использованием критерия Оа*\ I - Г.Оз^огО.'Й: 2 - 0,75...О,5; 3 - 0,5...0,25; 4 - 0,25...0,1; 5 - 0,1...6,о1;

Рис Фаз:

6 - Эа*=0~.

6 8 10

•п? 12 ¿"i.ite to.4 о —• * ив t; i/s.'j je es«

— 1 ч ai.jw ns vi i -w-5io«.iei II sei«

—в SS« ——701.S» ee*,S»

Рис. 5. Интенсификация теплоотдачи на начальном участке канала: I - сухой воздух, II - полное испарение аэрозоля, III -частичное испарение аэрозоля.

Рис. 6. Сравнение степени интенсификации теплоотдачи в различных сечениях канала: а - интенсификация теплоотдачи, б - вклад скрытой теплоты испарения аэрозоля.

■зо -*о о ю го

О).

/ -2 " 3 - о .

-15°С

V

/V

ю '5 го 25

8).

Рис. 7. Влияние на степень интенсификации теплоотдачи начальной температуры теплоносителя - а).; скорости воздуха в канале - о).; температуры стенки канала - в).

в).

Рис. 8. Значения эффективной теплоемкости в области околонулевых равновесных температур.

Рис. 9. Особенности равновесной температуры двухфазного потока с взвешенным водным аэрозолем в области отрицательных температур.

Рис. 10. Распределение температуры в двухфазном турбулентном пограничном слое: а - влияние кон -центрации аэрозоля, б - влияние температуры ядра потока. I - однофазный поток, II - двухфазный поток.

Рис. II. Сравнение модели расчета с экспериментами: I - стенка, II - ядро потока; I - 4 - номер соответствующей модели, 5 - эксперимент.

Рис. 13. Сравнение численных и экспериментальных значений степени интенсификации теплоотдачи на участке стабилизированного теплообмена: а - влияние скорости, б -влияние начальной температуры теплоносителя.

Рис. 12. Совместное влияние массовой концентрации аэрозоля и начального участка на поля температур в канале: I - стенка, II - ядро потока.

Рис. 14. Сравнение численных и экспериментальных положений сечения испарения аэрозоля в ядре потока: а -влияние скорости, б - влияние начальной температуры теплоносителя.

Рис. 15. Схема расчета перекрестно-точного компактного теплообменника: I - пластина между теплоносителями, 2 - оребрение горячего тракта, 3 - оребрение холодного тракта.

Рис. 16. Влияние массовой концентрации аэрозоля в холодном тракте на поля температур в конденсаторе: I -горячий теплоноситель, II - пластина, III - холодный теплоноситель.

Рис. 17. Совместное влияние начальных участков и тепломассообмена в горячем и холодном теплоносителях на поля температур в конденсаторе: ! - горячий теплоноситель, II - пластина, III - холодный теплоноситель.

Лицензия № 021040 от 22.02.96. Подписано в печать 22.10.98. Формат 84x60 х 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. I, I. Печ.л. 1,0 Изд. № Заказ № 6"$0/О Цена договорная

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

/ Л Л Г"— / ч

Г) / 1 ; ^

о*' I ** / „ 1

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Чичиндаев Александр Васильевич

ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ТЕЧЕНИИ ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ В КАНАЛАХ КОМПАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

05.14.05 - теоретические основы теплотехники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научйый руководитель к.т.н., доцент

Хозе А.Н.

Научный консультант д.т.н, профессор

Терехов В.И.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. ТЕПЛОМАССООБМЕН В ДВУХФАЗНЫХ ГАЗОКАПЕЛЬНЫХ

ПОТОКАХ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА................................................................13

1.1. Виды двухфазных дисперсных потоков с жидкими частицами..........................13

1.2. Экспериментальное исследование тепломассообмена при теплоотдаче к двухфазным дисперсным потокам..........................................................................................................16

1.2.1. Теплоотдача при закризисном теплообмене......................................................................16

1.2.2. Теплоотдача при воздушно-испарительном теплообмене..........................17

1.3. Теоретические исследования тепломассообмена двухфазных дисперсных потоков....................................................................................................................................................18

1.3.1. Гетерогенная модель...............................................................................................22

1.3.2. Гомогенная модель...................................................................................................................22

1.3.3. Модели в приближении пограничного слоя......................................................................23

1.4. Особенности гидродинамики и тепломассообмена двух- трехфазного потока водного аэрозоля в компактных теплообменниках..........................24

1.4.1. Механизм образования и дисперсный состав аэрозоля..................................25

1.4.2. Миграция аэрозольных частиц в потоке..................................................................................26

1.4.3. Особенности массообмена частиц водного аэрозоля................................28

1.5. Краткое изложение разрабатываемой модели...............................................30

1.5.1. Цель и основные задачи исследований......................................................................................30

1.5.2. Задачи экспериментального исследования............................................................................31

1.5.3. Задачи теоретического исследования..............................................................................................33

1.5.4. Характеристика решаемых научных задач..........................................................................36

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ

К ТРЕХФАЗНОМУ ПОТОКУ ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ....................................................................37

2.1. Постановка задачи......................................................................................................................................37

2.2. Описание экспериментальной установки................................................................................................38

2.2.1. Экспериментальная установка................................................................................................................38

2.2.2. Нагреваемый рабочий элемент....................................................................................................................39

2.2.3. Схема измерений................................................................................................................................................................43

2.2.4. Методика проведения экспериментов..........................................................................................44

2.2.5. Оценка погрешностей измерений....................................................................................................45

2.3. Исследование теплоотдачи к потоку водного аэрозоля..........................................47

2.3.1. Методика обработки и обобщения осредненной теплоотдачи..........47

2.3.2. Теплоотдача к сухому воздуху....................................................................................................48

2.3.3. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче к трехфазному потоку водного аэрозоля..........................................................................................................................52

2.4. Исследование локальной теплоотдачи к потоку водного аэрозоля..............57

2.4.1. Методика обработки и обобщения локальной теплоотдачи..................57

2.4.2. Теплоотдача на начальном участке.......................................................59

2.4.3. Влияние тепломассообмена при испарении на теплоотдачу................66

2.4.4. Интенсификация теплоотдачи по длине канала............................................................70

2.5. Особенности теплоотдачи к потоку водного аэрозоля........................................................73

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ К НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМУ ПОТОКУ ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ............................................................75

3.1. Особенности физической модели и постановка задачи.............................................75

3.1.1. Физические особенности процесса....................................................................................................75

3.1.2. Особенности тепломассообмена аэрозольной частицы..................................76

3.1.3. Физические особенности модели..........................................................................................................80

3.2. Математическая модель расчета тепломассообмена в трехфазном потоке водного аэрозоля..................................................................................................................................................................81

3.2.1. Физическая модель и уравнение энтальпии...........................................81

3.2.2. Система уравнений для теплоемкости........................................................................................82

3.2.3. Определение равновесной температуры водного аэрозоля в области отрицательных температур.....................................................................................86

3.3. Математическая модель расчета тепломассообмена в трехфазном пограничном слое..........................................................................................................................................................................................87

3.3.1. Схема тепломассообменных процессов в двухфазном пограничном слое.....................................................................................................87

3.3.2. Уравнение энергии для двухфазного пограничного слоя..........................89

3.3.3. Распределение температуры в ламинарном двухфазном пограничном слое......................................................................................................91

3.3.4. Распределение температуры в турбулентном двухфазном пограничном слое........................................................................................................................................................................................93

3.4. Математическая модель расчета процесса теплоотдачи..........................................95

3.4.1. Система дифференциальных уравнений теплоотдачи ................................95

3.4.2. Методика проверки достоверности математической модели..............96

3.4.3. Локальная теплоотдача около пластины при граничных условиях I рода.............................................................................................................97

3.4.4. Локальная теплоотдача в канале при граничных условиях II рода.............................................................................................................................................................98

3.5. Численное исследование теплоотдачи к потоку водного аэрозоля................103

3.5.1. Цель исследования и характеристика получаемых результатов... 103

3.5.2. Влияние на теплоотдачу массовой концентрации влаги ...........................103

3.5.3. Влияние на теплоотдачу скорости теплоносителей..............................................107

3.5.4. Влияние на теплоотдачу участка тепловой стабилизации........................107

3.6. Особенности теплоотдачи в теплообменном канале..............................................111

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ПЕРЕКРЕСТНО-ТОЧНОМ КОМПАКТНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ, ОХЛАЖДАЕМОМ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ПОТОКОМ ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ ..................112

4.1. Проблемы моделирования процесса теплопередачи в компактном теплообменнике с двухфазным теплоносителем..........................................................................112

4.1.1. Особенности тепломассообмена в конденсаторе..................................................112

4.1.2. Проблемы моделирования процесса теплопередачи......................................113

4.1.3. Применяемая физическая модель и допущения......................................................113

4.2. Математическая модель расчета процесса теплопередачи..............................116

4.2.1. Система уравнений.............................................................................................................................................116

4.2.2. Расчет теплоотдачи в горячем тракте.....................................................117

4.2.3. Расчет теплоотдачи в холодном тракте..................................................................................118

4.2.4. Проверка достоверности математической модели........................................119

4.3. Исследование влияние параметров холодного теплоносителя на локальную теплопередачу и поля температур в конденсаторе.................127

4.3.1. Цель исследования и характеристика получаемых результатов.. 127

4.3.2. Влияние на теплопередачу массовой концентрации влаги....................127

4.3.3. Влияние на теплопередачу скорости теплоносителей..................................131

4.3.4. Особенности теплопередачи в конденсаторе.....................................134

4.4. Оптимизация конструкции конденсатора............................................................................136

4.4.1. Влияние на теплопередачу участка тепловой стабилизации..............136

4.4.2. Влияние на теплопередачу компоновки теплообменника........................143

4.4.3. Особенности проектирования конденсатора..............................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................................................................................152

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................................................................................................................171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной энергетической, авиационной и холодильной технике для обеспечения интенсивного охлаждения элементов оборудования используются двухфазные дисперсные теплоносители "воздух-вода". Кроме экономии материальных и энергетических ресурсов в ряде случаев их применение улучшает условия работы теплонапряженного оборудования и повышает его ресурс. Переход на новое поколение более экономичных и эффективных систем кондиционирования воздуха, впервые примененных для нового класса конкурентноспособных пассажирских самолетов ТУ-204, поставил задачу разработки и создания теплообменников-конденсаторов, в которых охлаждение осуществляется с помощью трехфазного потока водного аэрозоля, находящегося при отрицательной температуре.

Научная проблема. Определяющими процессами при воздушно-испарительном охлаждении оборудования являются совместно протекающие теплоотдача от стенок канала к теплоносителю, а также интенсивный тепломассообмен в теплоносителе, вызванный испарением с поверхности капель паров воды в воздух. Модельное представление и расчет такого процесса - важная и сложная задача, лежащая на стыке теории конвективного теплообмена и тепломассообмена при фазовых превращениях. Решение задачи представляет интерес в других областях техники, например, в атомной энергетике, где используется другой тип двухфазного дисперсного теплоносителя - парокапель-ный поток при закризисном режиме.

К настоящему времени наиболее изучена теплоотдача к крупнодисперсному высокотемпературному воздухо-водяному потоку для каналов с большими эквивалентными диаметрами. Разработка нового поколения авиационных систем кондиционирования поставила дополнительную задачу о воздушно испарительном охлаждении компактных теплообменников, для которой харак-

терны: низкотемпературный трехфазный теплоноситель и малый эквивалентный диаметр каналов.

Отсутствие экспериментальных работ при указанных условиях затрудняет понимание происходящих при этом тепломассообменных процессов. Вместе с тем специфичные граничные условия делают невозможными прямые инструментальные измерения в потоке водного аэрозоля. Известные теоретические работы по расчету двухфазных дисперсных потоков посвящены разработке моделей расчета тепломассообмена двухфазных дисперсных потоков при закри-зисном теплообмене. Методы же расчета воздушно-испарительного охлаждения громоздки и учитывают только интегральное изменение энтальпии потока без учета влияния тепломассообмена в пограничном слое. По этим причинам до настоящего времени отсутствуют надежные и достоверные инженерные методы расчета процессов тепломассообмена в теплообменниках - конденсаторах такого типа.

Целью работы является: изучение особенностей тепломассообмена в низкотемпературном теплоносителе, содержащем трехфазный водный аэрозоль; экспериментальное и аналитическое исследование теплопередачи к многофазному теплоносителю.

Автор выносит на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи к низкотемпературному потоку водного аэрозоля в теплообменных каналах с малым эквивалентным диаметром.

2. Равновесную (гомогенную) физическую модель тепломассообмена при теплоотдаче к мелкодисперсному потоку водного аэрозоля в приближении пограничного слоя.

3. Математическую модель и результаты численного исследования теплоотдачи к трехфазному потоку водного аэрозоля при граничных условиях I и II рода.

4. Инженерную методику расчета процесса теплопередачи в перекрест-ноточном теплообменнике с двухфазными теплоносителями в обоих трактах.

Научная новизна и значимость результатов, полученных в настоящей работе состоит в следующем:

- экспериментально исследован процесс теплоотдачи к многофазному потоку водного аэрозоля в каналах с малым эквивалентным диаметром в переходном и турбулентном режимах течения и предложены обобщающие зависимости;

- предложена форма обобщающей зависимости, приводящая результаты к известным зависимостям для однофазного течения;

- с использованием выражения для полной энтальпии разработана двухслойная равновесная (гомогенная) модель тепломассообмена, учитывающая тепло- и массообменные процессы с использованием понятия "теплоемкости в процессе с фазовыми превращениями";

- с помощью указанной модели выполнено численное исследование процесса теплоотдачи к многофазному потоку для граничных условий I, II и III рода (в том числе на участках тепловой стабилизации) и сделано сравнение с экспериментами, собственными и других авторов;

- с помощью указанной модели выполнено численное исследование процесса локальной теплопередачи в компактном перекрестноточном теплообменнике с двухфазными теплоносителями и учетом особенностей теплоотдачи на участках тепловой стабилизации каналов; сделано сравнение с экспериментами и другими моделями расчета;

- разработан прикладной пакет программ и решена задача оптимизации конструкции теплообменных аппаратов, работающих на многофазных теплоносителях.

Практическая ценность. Результаты, полученные при исследовании тепломассообмена к многофазному потоку водного аэрозоля, могут быть применены для оптимизации теплообменного оборудования, использующего многофазные теплоносители с фазовыми превращениями, как в самом теплоносителе, так и на границе с поверхностью. Экспериментальные данные и результаты численного исследования теплоотдачи к потоку водного аэрозоля могут послужить основой и использованы для изучения многофазных теплоносителей различных газокапельных систем.

Экспериментальные данные и разработанная модель расчета позволили обосновать и сделать возможным использование при расчете процессов теплоотдачи (процессов теплопередачи в компактных теплообменниках) к двухфазным теплоносителям известные в литературе данные по теплоотдаче для однофазного течения.

На базе полученной физической и математической модели тепломассообмена разработана и предложена простая инженерная методика расчета теплообмена в перекрестноточном теплообменнике. По предложенной методике разработан алгоритм и прикладной пакет программ для ПЭВМ, позволяющий проводить проектировочный и проверочный расчет компактных перекрестно-точных одно- и многозаходных теплообменников. Пакет позволяет автоматизировать наиболее трудоемкие этапы при разработке, расчете и проектировании новых конструкций теплообменников.

Разработан прикладной пакет программ для расчета процесса локальной теплопередачи в перекрестноточном компактном теплообменнике с двухфазными теплоносителями. С его помощью были решены несколько актуальных задач в интересах авиационной промышленности. На основании полученных результатов разработаны критерии, методика и прикладной пакет программ по оптимизации конденсатора, включающие в себя три этапа: тепловую, технологическую и противообледенительную оптимизацию конструкции теплообмен-

ника. Разработаны и предложены оптимальные варианты конструкций конденсаторов в зависимости от исходных режимных параметров.

Реализация результатов работы. На первом этапе основная масса проводимых исследований и разрабатываемых программных средств использовалась для решения прикладных задач. Задачи формировались предприятиями "Наука" и ОКБ им. Туполева А.Н. (г. Москва) в рамках НИОКР отраслевой лаборатории НИЛОС при кафедре МОЛА НГТУ. Основное направление - исследование особенностей работы разрабатываемой системы кондиционирования самолета ТУ-204 на влажном воздухе. Результаты работы в виде отдельных разделов включены в 15 отчетов о НИР (основные перечислены в /142...147/). На заключительной стадии работ пакет программ по конденсатору был передан Заказчику.

На втором этапе проводимые исследования и разрабатываемые программные средства использовалась для решения прикладных задач в рамках НИОКР по заказу СибНИА. Основное направление - исследование особен