автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Теплообмен и гидравлическое сопротивление в компланарных каналах рекуперативных теплообменных аппаратов жилищно-коммунального хозяйства и бытовой техники

На правах рукописи

БИЛЬМАЕР ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

ТЕПЛООБМЕН И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В КОМПЛАНАРНЫХ КАНАЛАХ РЕКУПЕРАТИВНЫХ

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА И БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном университете сервиса на кафедре «Безопасность производств» и в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пелевин Федор Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Десятое Владимир Тимофеевич

кандидат технических наук, доцент Шацкий Олег Евгениевич

Ведущая организация: Государственное учреждение

«Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами»

Защита состоите в 10.00 часов на заседании диссертационного

совета Д 212.150.05 в Московском государственном университете сервиса по адресу: 141221. Московская область, Пушкинский район, пос. Черкизово, ул. Главная, 99.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета сервиса.

Автореферат разослан ноября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совет а д.т.н., доцент

Н.Э. Пашковский

гвт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертации. Актуальность проблемы обусловлена фактом неуклонного роста цен на энергоносители, применяемые в технологических процессах и энергетических службах предприятий жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и бытового обслуживания населения (БОН). Так как в настоящее время на предприятиях ЖКХ и БОН удельный вес энергозатрат в себестоимости выпускаемой продукции и реализации услуг составляет не менее 40%, то задачи эффективной эксплуатации теплоиспользующего технологического оборудования занимают особое место. К категории наиболее теплопотребляющих предприятий БОН относятся предприятия химчистки, стирки и крашения белья и одежды. Развитие рыночных отношений в России диктуют необходимость увеличения научно-технических разработок по исследованию теплоиспользующих технологических процессов, направленных на экономию энергоресурсов и уменьшение стоимости изделия. Теплообменные аппараты входят в состав любого энергетического оборудования. Поэтому крайне важно для предприятий ЖКХ и БОН создание нового высокоэффективного теплообменного аппарата с лучшими, чем у находящихся в эксплуатации техническими характеристиками.

Создание конкурентноспособного высокоэффективного рекуперативного теплообменного аппарата (ТА) во многом зависит от эффективности теплообмена.

В связи с этим актуальной является задача повышения эффективности теплообмена в ТА. В настоящее время в подавляющем большинстве эксплуатирующихся ТА используется трубчатые (гладкие) теплообменные поверхности. Реже - оребренные теплообменные поверхности. Оребренный тракт обеспечивает интенсификацию теплообмена по сравнению с гладким каналом в 1.5...3 раза. Такой уровень интенсификации зачастую не обеспечивает удовлетворительной теплопередачи, так как в последнее время

наблюдается тенденция уменьшения массытттабаритов ТА.

рос. ьАЦиОИ,.. „¡1Д

библиотека

Возникает необходимость перехода к новым конструкциям и технологиям изготовления теплообменных трактов, обеспечивающих высокую интенсификацию теплообмена при низких потерях.

Один из перспективных и эффективных методов интенсификации теплообмена заключается в использовании трактов с компланарными каналами в теплообменных устройствах. Тракт с компланарными каналами сочетает в себе два метода интенсификации теплообмена: 1 - увеличение турбулентности за счет закрутки потока, 2 - увеличение поверхности теплоотдачи. Несмотря на актуальность проблемы число публикаций на эту тему мало.

Наиболее широкое использование теплообменный тракт с компланарными каналами получил в авиационной технике. В России первым предложил и начал исследовать теплообменный тракт с компланарными каналами В.М. Кудрявцев с коллегами. Внедрение в серийное производство охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей с компланарными каналами дало мощный толчок в развитии этого метода интенсификации теплообмена.

Но хотя применение тракта с компланарными каналами интенсифицирует теплообмен, наблюдается снижение эффективности теплообмена с уменьшением размеров каналов, что сдерживает применение этого метода во многих ТА. Снижение эффективности теплообмена наблюдается и при росте оребрения теплообменного тракта.

Целью работы является исследование нового метода интенсификации теплообмена с использованием принципа компланарного движения теплоносителя в рекуперативных теплообменных аппаратах, позволяющего повысить эффективность теплообмена. Достижение указанной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач:

1. Разработка конструкций высокоэффективных компланарных трактов для рекуперативных теплообменных аппаратов.

2. Разработка метода расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами.

3. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в компланарных каналах в зависимости от эквивалентного гидравлического диаметра канала и при наличии турбулизаторов потока теплоносителя.

4. Оптимизация параметров тракта с компланарными каналами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан метод расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами для ТА;

- впервые экспериментально исследовано влияние абсолютных геометрических размеров на гидравлическое сопротивление в компланарных каналах на переходном и турбулентном режимах течения;

- впервые экспериментально исследовано влияние абсолютных геометрических размеров на теплообмен в компланарных каналах;

- впервые экспериментально исследовано вли яние турбулизаторов потока теплоносителя на эффективность теплообмена в компланарных каналах.

Достоверность научных результатов:

- подтверждена соответствующим объемом теоретических и экспериментальных исследований, проведенных с использованием современного лабораторного оборудования и апробированных методов обработки результатов исследований;

- удовлетворительным согласованием полученных экспериментальных результатов с экспериментальными данными других исследователей.

Практическая ценность и реализация работы. Полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры теплообменного тракта с компланарными каналами. Разработаны конструкторские решения ТА с компланарными каналами. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективного малоперепадного теплообменного тракта с компланарными каналами. Применение тракта с компланарными каналами в ТА уменьшает его массу за счет высокой эффективности теплообмена.

Результаты работы и пакеты прикладных программ используются на предприятии НПП "Гиперон" в НИР и ОКР. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры "Безопасность производств" МГУС и МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в МГУС (кафедра "Безопасность производств"), на IX, Х-й международных научно-практических конференциях «Наука - сервису» 2 004, 2005гг.; на INTERNATIONAL SEMINAR INDUSTRY &. ECOLOGY. Indonesia. - 2004; на международной научной конференции "XXXI Гагаринские чтения" Москва.-2005г.; на 2-й научно- практической конференции "Инновационные процессы в регионах России". Волгоград.-2005г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы (76 наименований), содержит 110 страниц, 2 таблицы и 19 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны научная и практическая значимость решаемых проблем, а также изложены основные положения работы.

В первой главе рассмотрены основные методы интенсификации теплообмена в ТА. Показано, что трубчатый теплообменник малоэффективен Интенсификация теплообмена в оребренных трактах достигла максимальной величины и не всегда удовлетворяет требованиям предъявляемым к ТА.

Подробно рассмотрены возможности трактов с искусственной шероховатостью, трактов с пористыми металлами и трактов с компланарными каналами с целью использования их в ТА.

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации теплообмена является применение в теплообменных устройствах трактов с компланарными каналами, что отражено в работах Кудрявцева В.М. и других б

исследователей. В литературе такие системы каналов получили название «набивки Френкеля» или «вихревые системы» (ВС).

Различают тракты неограниченные (выполненные на осесимметричной поверхности, например, цилиндре) (рис.1) и ограниченные в поперечном направлении, т.е. наличие одного или нескольких поворотов потока у боковых ограничивающих профилей, что приводит к изменению структуры потока и коэффициента теплоотдачи вдоль канала (рис.2).

А-А

Рис. 1. Цилиндрический (неограниченный) тракт с компланарными каналами

Рис 2. Плоский (ограниченный) тракт с компланарными каналами

Анализ методов и результатов экспериментально-теоретических исследований вопросов процессов гидродинамики и теплообмена в трактах с

компланарными каналами свидетельствует о перспективности использования трактов с компланарными каналами в рекуперативных теплообменных аппаратах.

Результаты обзора свидетельствуют о преимуществе расчетно-экспериментального метода исследования теплообмена в трактах с компланарными каналами.

В заключение первой главы на основании анализа состояния проблемы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приводится описание экспериментальной газодинамической установки (рис.3); рабочих участков, спроектированных и изготовленных для исследования гидравлического сопротивления в трактах с компланарными каналами.

Тракт с компланарными каналами образован параллельными ребрами на противоположенных поверхностях двух сопрягаемых по вершинам этих ребер оболочек (рис. 1,2). Ребра противоположных пластин расположены под углом 2р друг к другу и образуют систему взаимоперекрещивающихся каналов, сообщающихся друг с другом через межреберные ромбовидные ячейки на поверхности сопряженных пластин.

В критерии Рейнольдса (Яе) и в коэффициенте гидравлического сопротивления за линейный размер принимался эквивалентный гидравлический диаметр канала: <1ЖВ=4Р/П, где Б - площадь проходного сечения канала; П - периметр канала.

С увеличением суммарного угла взаимного пересечения каналов коэффициент гидравлического сопротивления Е, возрастает (рис. 4). Чем большее значение принимает угол 2р, тем выше темп увеличения £,.

10-'

• •• .

с у ®ех х X X о» Рпг^п □ С ОосЛ 0 оо

о о • О » >0 00 ООс '«се ООО

ЛА ........1 ..1......1....... - »» " Л А ^ Л <2 АД

5 6 7 8 104

» —23=90°, <1,=0,5«1<Г3м; 0-20=90", <1г=1,Ы(Г3м; • -М="120", (1г=|,|<|0 ,м,Д-2Ц-60<>, «а,— 1 5*10~3м, п-2в=--90", йг-и«10"5м; с- 20-90°, <),=2,0х10"3м;

X -2(3"60°, <!,'-!,5— с турбулнзатором.

Яе

Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления от числа 11е, йг и 2р.

В третьей главе приводится описание экспериментальной термодинамической установки (рис.5), рабочих моделей, спроектированных и изготовленных для исследования теплообмена в трактах с компланарными каналами.

ф-<Н30®

Рис. 5. Пневмогидравлическая схема экспериментальной термодинамической установки Значительное увеличение теплосьема в ограниченных плоских трактах (ОТ) по сравнению с теплосъемом в оребренных матрицах без перекрещивания каналов (2р=0°) указывает на наличие некоторых механизмов интенсификации теплообмена в каналах вихревого тракта. Такими механизмами может быть взаимодействие компланарно перекрещивающихся потоков в межреберных ячейках, приводящее к непрерывной подкрутке теплоносителя по длине каждого канала, и значительная турбулизация потока при перетекании его в каналы противоположной пластины у боковых границ ОТ. В первом случае подкрутка потока поддерживается по всей площади матрицы и интенсивность теплообмена по ширине фронтальных сечений должна быть одинакова. Во втором случае, зарожденая при повороте на краях матрицы, турбулентность должна затухать по мере удаления теплоносителя по каналу от боковой границы ОТ, а интенсивность теплообмена должна быть различна, уменьшаясь от одного края матрицы к другому.

ю

Исследования показали, что основным фактором, определяющим величину коэффициента теплоотдачи на участке стабилизированного теплообмена, является угол взаимного пересечения компланарных каналов 2Р (рис. 6). Данный вывод согласуется с данными других исследователей. Следует отметить, что интенсификация теплообмена наиболее существенна при малых числах Яе, когда скорость теплоносителя и потери давления малы.

Увеличение коэффициента теплоотдачи с увеличением угла 2р можно объяснить следующим образом. В отличие от течения в каналах с постоянной закруткой потоков по длине каналов (витые ленты, завихрители шнекового типа и др.) взаимодействие потоков в компланарных каналах происходит в некоторой сопряженной области - области смешения. С увеличением угла 2р в области смешения возрастает интенсивность турбулентных пульсаций. Это ведет к увеличению обмена количеством движения между соприкасающимися потоками, что, в свою очередь, приводит к возрастанию касательных напряжений в сопряженной области и интенсификации массообмена между потоками, вызванной увеличением глубины проникновения турбулентных молей из области смешения в ядро потока. Увеличение касательных напряжений в сопряженной области каналов приводит к усилению взаимной подкрутки потоков. В результате в компланарных каналах реализуется турбулентный поток кручения с высокими нормальными и тангенциальными переносными свойствами. Энергия турбулентности, вырабатываемая в области смешения компланарных потоков, переносится к теплоотдающей поверхности с молями теплоносителя как по нормали за счет увеличения турбулентных пульсаций, так и тангенциально потоку кручения в результате взаимной подкрутки. Таким образом, вблизи теплоотдающей поверхности происходит непрерывное разрушение пограничного слоя, интенсифицируется массообмен пристенных слоев потока с его ядром, что является причиной значительного увеличения коэффициента теплоотдачи.

Исследования эффективности теплообмена в плоских трактах с компланарными каналами и эквивалентными гидравлическими диаметрами ё,

и

0,5...2 мм показали, что коэффициент теплоотдачи резко падает с уменьшением 11Г. При малых размерах каналов (0,5... 1,5) мм интенсификация теплоотдачи мала, а гидравлические потери существенны (рис. 4, 6).

Уменьшение теплоотдачи можно объяснить следующим образом. С уменьшением гидравлического диаметра каналов уменьшаются размеры зоны смешения и степень турбулентности потоков, что приводит к увеличению толщины пограничного слоя и уменьшению теплоотдачи.

Для увеличения теплоотдачи необходимо дополнительно турбулизировать поток теплоносителя в пределах пограничного слоя. Установлено, что основание межреберного канала работает в смысле теплопереноса малоэффективно по сравнению с поверхностью вершины ребра. Необходимо повысить влияние основания канала на интенсификацию теплообмена.

Дополнительная турбулизация потока на дне компланарных каналов и ребрах осуществлена методом разрезания ребер на теплоотдающей поверхности на глубину равную высоте ребра плюс глубина турбулизирующей канавки. Глубина турбулизирующей канавки равна 0,1 мм. Результаты теплообмена и гидравлического сопротивления вихревого тракта с турбулизаторами показаны на рис. 4, 6. Интенсификация теплообмена возросла в 1,7 раза, гидравлическое сопротивление в 2,3 раза. Это позволило более, чем в два раза увеличить эффективность теплообмена в плоском тракте с компланарными каналами (рис. 8), где

Таким образом, экспериментально показано, что для интенсификации теплообмена в ОТ с малым гидравлического диаметром необходимо дополнительно турбулизировать поток.

В тракте с компланарными каналами интенсификация теплоотдачи осуществляется за счет закрутки потока в каналах и развития теплоотдающей поверхности (коэффициента оребрения г|):

& ,ф = $>всо ■ Л

Если первый механизм интенсификации теплообмена изучен достаточно подробно, то влияние развития теплоотдающей поверхности на теплоотдачу в тракте с компланарными каналами изучен недостаточно. С увеличением параметра X = h/a (относительная высота канала) увеличивается коэффициент оребрения tq. Между тем все исследования проводились при Х- 0,25...1,1, В этом диапазоне изменение параметра X практически не влияет на теплообмен от вихреобразования. В то же время с дальнейшим ростом параметра X возможно уменьшение вихреобразования на дне глубоких каналов.

Для теплонапряженных трактов характерны высокие значения параметра X. В связи с этим проведены испытания цилиндрического тракта с компланарными каналами и параметром X = 4. Высота ребра - 4 мм, толщина ребра - 1 мм, расстояние между ребрами - 1 мм. Материал тракта - латунь JIC-80. При таких геометрических размерах коэффициент оребрения близок к максимальному. Эксперименты проведены в диапазоне изменения чисел Рейнольдса 103...104. Угол взаимного пересечения каналов - 90°. Теплоноситель - воздух.

На рис. 7 представлены результаты исследования теплообмена в указанном тракте. Установлено, что в цилиндрических трактах с компланарными каналами увеличение параметра X не влияет на вихреобразование в каналах (StBCo), однако при этом увеличивается коэффициент оребрения, что приводит к увеличению эффективной теплоотдачи (St^).

С целью дальнейшего повышения интенсификации теплоотдачи в трактах с компланарными каналами исследован цилиндрический вихревой тракт (Х= 4) с разрезанными ребрами на теплоотдающей поверхности. Организующая поверхность тракта не изменялась. Материал теплоотдающей поверхности -латунь JI-80. Толщина ребра - 1,3 мм. Ширина канала - 1 мм. Высота ребра - 4 мм. Ребра нарезаны с шагом S =12-Ат. Глубина турбулизирующих канавок К равна 0,1 мм. Толщина фрезы составляла 0,8 мм. Вследствие чего из оребренной теплоотдающей поверхности получилась ошипованная поверхность.

В отличие от плоских ограниченных вихревых трактов разрезанные ребра в неограниченной вихревой системе не привели к увеличению теплоотдачи. В таком комбинированном (ошипованно-вихревом) тракте Э^ф не превышает теплоотдачи в чисто вихревом тракте с параметром X - 4 (рис.7). При малых числах Рейнольдса вихревой тракт даже более эффективен.

С целью дополнительного исследования влияния исскуственной турбулизации потока испытан цилиндрический тракт с компланарными каналами на дне которых выполнен продольный турбулизатор с поперечными размерами 0,15x0,15 мм. Значительного увеличения теплоотдачи также не было обнаружено (рис.7).

Рис. 6. Зависимость числа Стентона от числа Рейнольдса, с1, и 2Р:

1 - гладкая труба; 2 - 2р=90°, 4=0,5x10'3 м; 3 - 2Р=60°, <Зг=1,5х10~3м; 4 - 2(1=90°, 4=1,1x10 ^; 5 - 20=120°, 4=1,1х10'3м; 6 - 2р=90°, <1г=1,5х10'3м; 7 - 2Р=90°, ф=2,0х10 Зм; X - 2р=60°, ^=1,5х10"3м с турбулизатором.

На рис. 7 представлены результаты экспериментальных исследований теплообмена в неограниченных трактах с компланарными каналами и »

максимально высоким оребрением. Показано, что в неограниченных трактах с компланарными каналами высокий коэффициент оребрения не уменьшает интенсификацию теплообмена за счет вихреобразования. Интенсификация теплообмена в трактах с компланарными каналами и высоким коэффициентом

I

I

оребрения может достичь десятикратного увеличения по сравнению с гладкой трубой.

0,1

0,01

--- — — - —

—1 - -

т

т

1 1 1 ► [

1 ( 1 'а А *А и

Не

♦ ВСО с х=4

■ ВСО с разрезанными

ребрами А ВСО с х=1

• ВСО с турбулизатором 0.15*0.15мм

1000 10000 Рис. 7. Теплообмен в трактах с компланарными каналами (ВСО) (2р=90°)

0,3 1.0 1.5

X —20—Ь0°. с турбулизагором. л—20=90", о -2#-6ГГ.

Рис. 8. Эффективность теплообмена в зависимости от с!г при Ке=104

в четвертой главе представлена конструкция рекуперативного теплообменного аппарата с компланарными каналами.

Сформулированы требования, которым должен отвечать тракт с компланарными каналами с точки зрения его оптимальной применимости в теплообменном аппарате.

Приведен метод и результаты расчета рекуперативного теплообменного аппарата с компланарными каналами.

выводы

1. Впервые экспериментально исследовано влияние абсолютных геометрических размеров каналов на гидравлическое сопротивление и теплообмен в тракте с компланарными каналами на переходном и турбулентном режимах течения.

2. Экспериментально исследовано влияние турбулизирующих канавок на эффективность теплообмена в плоских и коаксиальных компланарных каналах.

3. Разработан метод расчета параметров теплообменных трактов с компланарными каналами применительно к рекуперативному теплообменному аппарату для жилищно-коммунального хозяйства.

4. Разработаны практические рекомендации по использованию теплообменников с компланарными каналами на предприятиях коммунального хозяйства и бытового обслуживания.

5. Разработанные в диссертационной работе методы расчета, пакеты прикладных программ и расчетные методики, а также полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры теплообменного тракта с компланарными каналами. Разработаны схемные, технологические и конструкторские решения рекуперативного теплообменного аппарата с компланарными каналами. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективного малоперепадного теплообменного тракта.

6. Предложенные конструктивные решения позволили в 2-3 раза увеличить эффективность теплообмена в компланарных каналах с малым гидравлическим диаметром.

7. Результаты работы и пакеты прикладных программ используются на предприятии НПП "Гиперон". Результаты работы внедрены в учебный процесс #

кафедры «Безопасность производств» МГУС при изучении дисциплин "Теплотехника", "Гидравлика".

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях.

1.Бильмаер В.В. Совершенствование теплообменных аппаратов для предприятий сервиса. IX-я Международная научно-практическая конференция «Наука - сервису» М.: МГУС, 2004. С. 90-91.

2. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трактах с компланарными каналами / Ф.В. Пелевин, В.В. Бильмаер, Л.А. Каплин, С.А. Орлин// Деп. Рукопись ВИНИТИ 28.05.2004, № 907-В 2004.

3. Бильмаер В.В., Пелевин Ф.В. Исследование влияния абсолютных размеров каналов на теплообмен и гидравлическое сопротивление в плоских компланарных трактах. Труды Х-й международной научно-практической конференции «Наука - сервису». В 2т. Т.1. М.: МГУС, 2005. С. 132-135.

4. Теплообменник для регенирации тепловых вторичных энергоресурсов на предприятиях сервиса/В.В. Бильмаер, Ф.В.Пелевин, Е.Ю. Моисеев, С.А. Орлин// Актуальные проблемы науки на современном этапе. Межвузовский сборник научных трудов. Ростов-на-Дону, 2005-С. 236-242.

5. Бильмаер В В., Пелевин Ф.В. Разработка нового метода интенсификации теплообмена для оборудования предприятий сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса.-2005.-№ 3 - С. 15-19.

6. Теплообменник для регенирации тепловых вторичных энергоресурсов /В.В. Бильмаер, Е.Ю. Моисеев, Ф.В.Пелевин, С.А. Орлин, С.Н. Алехин//Проблемы машиностроения и технического обслуживания в сфере сервиса. Межвуз. Сборник научных трудов. Шахты. Изд-во ЮРГУЭС, 2005. С. 29-32.

*

БИЛЬМАЕР ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ

ТЕПЛООБМЕН И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В КОМПЛАНАРНЫХ КАНАЛАХ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА И БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Отпечатано с оригинал-макета автора Лицензия ИД № 04205 от 06.03.2001 г.

Сдано в производство 17.11.2005 Тираж ЮОэкз.

Объем 1,25 пл. Формат 60x84/16 Изд. № 30 Заказ 309

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет сервиса» 141221, Московская обл., Пушкинский р-он, пос. Черкизово, ул. Главная, 99

© ГОУВПО «МГУС», 2005

$24 2 8 5

РНБ Р>сский фонд

2006-4 26722

à

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, Стр. СИМВОЛОВ,

ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

1.1. Оребренный теплообменный тракт

1.2. Тракт с искусственной шероховатостью

1.3. Теплообменные тракты с пористыми наполнителями

1.3.1. Пористые материалы с упорядоченной структурой

1.3.2. Пористые материалы с высокоразвитой поверхностью теплообмена

1.3.3. Гидравлическое сопротивление пористых материалов

1.3.4. Конвективный внутрипоровый теплообмен

1.3.5. Конструкция пористых теплообменных трактов

1.4. ТРАКТЫ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

ВЫВОДЫ ПО ОБЗОРУ ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ТРАКТАХ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

2.1. Описание экспериментальной газодинамической установки и рабочих участков

2.2. Методика обработки экспериментальных данных. Оценка погрешности измерений

2.3. Анализ и обобщение результатов исследования гидравлического сопротивления в трактах с компланарными каналами

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТРАКТАХ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

3.1. Экспериментальная электротермическая установка

3.2. Экспериментальные модели тракта с компланарными каналами. Методика препарирования

3.3. Экспериментальная термодинамическая установка

3.4. Методика обработки экспериментальных данных. Оценка погрешности измерений

3.5. Результаты исследования теплообмена в плоских трактах с компланарными каналами

3.6. Результаты исследования теплообмена в цилиндрических трактах с компланарными каналами

3.7. Эффективность тракта с компланарными каналами

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАКТА С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

4.1. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАКТА, РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ, ТЕПЛОФИЗИКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОБМЕНА

4.2. Методика расчета теплообменного тракта с компланарными каналами

4.2.1. Коэффициент оребрения

4.2.2. Эффективность и оптимальная геометрия оребрения

4.2.3. Метод расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами применительно к рекуперативному теплообменному аппарату

ВЫВОДЫ

Актуальность проблемы обусловлена фактом неуклонного роста цен на энергоносители, применяемые в технологических процессах и энергетических службах предприятий жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и бытового обслуживания населения (БОН). Так как в настоящее время на предприятиях ЖКХ и БОН удельный вес энергозатрат в себестоимости выпускаемой продукции и реализации услуг составляет не менее 40%, то задачи эффективной эксплуатации теплоиспользующего технологического оборудования занимают особое место. К категории наиболее теплопотребляющих предприятий БОН относятся предприятия химчистки, стирки и крашения белья и одежды. Развитие рыночных отношений в России диктуют необходимость увеличения научно-технических разработок по исследованию теплоиспользующих технологических процессов, направленных на экономию энергоресурсов и уменьшение стоимости изделия. Теплообменные аппараты входят в состав любого энергетического оборудования. Поэтому крайне важно для предприятий ЖКХ и БОН создание нового высокоэффективного теплообменного аппарата с лучшими, чем у находящихся в эксплуатации техническими характеристиками.

Создание конкурентноспособного высокоэффективного рекуперативного теплообменного аппарата (ТА) во многом зависит от эффективности теплообмена.

В связи с этим актуальной является задача повышения эффективности теплообмена в ТА. В настоящее время в подавляющем большинстве эксплуатирующихся ТА используется трубчатые (гладкие) теплообменные поверхности. Реже - оребренные теплообменные поверхности. Оребренный тракт обеспечивает интенсификацию теплообмена по сравнению с гладким каналом в 1.5.3 раза. Такой уровень интенсификации зачастую не обеспечивает удовлетворительной теплопередачи, так как в последнее время наблюдается тенденция уменьшения массы и габаритов ТА.

Возникает необходимость перехода к новым конструкциям и технологиям изготовления теплообменных трактов, обеспечивающих высокую интенсификацию теплообмена при низких потерях.

Один из перспективных и эффективных методов интенсификации теплообмена заключается в использовании трактов с компланарными каналами в теплообменных устройствах. Тракт с компланарными каналами сочетает в себе два метода интенсификации теплообмена: 1 - увеличение турбулентности за счет закрутки потока, 2 - увеличение поверхности теплоотдачи. Несмотря на актуальность проблемы число публикаций на эту тему мало.

Наиболее широкое использование теплообменный тракт с компланарными каналами получил в авиационной технике. В России первым предложил и начал исследовать теплообменный тракт с компланарными каналами В.М. Кудрявцев с коллегами. Внедрение в серийное производство охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей с компланарными каналами дало мощный толчок в развитии этого метода интенсификации теплообмена.

Но хотя применение тракта с компланарными каналами интенсифицирует теплообмен, наблюдается снижение эффективности теплообмена с уменьшением размеров каналов, что сдерживает применение этого метода во многих ТА. Снижение эффективности теплообмена может происходить и при росте оребрения теплообменного тракта.

Целью работы является исследование нового метода интенсификации теплообмена с использованием принципа компланарного движения теплоносителя в рекуперативных теплообменных аппаратах, позволяющего повысить эффективность теплообмена. Достижение указанной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач:

1. разработка конструкций высокоэффективных компланарных трактов для рекуперативных теплообменных аппаратов;

2. разработка метода расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами;

3. экспериментальное исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в компланарных каналах в зависимости от эквивалентного гидравлического диаметра канала и при наличии турбулизаторов потока теплоносителя;

4. оптимизация параметров тракта с компланарными каналами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан метод расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами для ТА;

- впервые экспериментально исследовано влияние абсолютных геометрических размеров на гидравлическое сопротивление в компланарных каналах на переходном и турбулентном режимах течения;

- впервые экспериментально исследовано влияние абсолютных геометрических размеров на теплообмен в компланарных каналах;

- впервые экспериментально исследовано влияние турбулизаторов потока теплоносителя на эффективность теплообмена в компланарных каналах.

Достоверность научных результатов:

- подтверждена соответствующим объемом теоретических и экспериментальных исследований, проведенных с использованием современного лабораторного оборудования и апробированных методов обработки результатов исследований;

- удовлетворительным согласованием полученных экспериментальных результатов с экспериментальными данными других исследователей.

Практическая ценность и реализация работы. Полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры теплообменного тракта с компланарными каналами. Разработаны конструкторские решения ТА с компланарными каналами. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективного малоперепадного теплообменного тракта с компланарными каналами. Применение тракта с компланарными каналами в ТА уменьшает его массу за счет высокой эффективности теплообмена.

Результаты работы используются на НИИ "Гиперон" в ОКР. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры "Безопасность производств" МГУС и МГТУ им. Н.Э. Баумана.

7. Результаты работы и пакеты прикладных программ используются на НПП "Гиперон". Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Безопасность производств» МГУС при изучении дисциплин "Теплотехника", "Гидравлика".

Достоверность результатов, полученных автором в настоящей работе, подтверждается удовлетворительным согласованием данных с экспериментальными данными, полученными другими исследователями.

Всего по теме диссертации опубликовано 6 печатных работ [71-76], сделано 5 докладов на российских и международных конференциях.

1. 1Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: Наука.- 1976.-888 с.

2. Анциферов В.Н., Храмцов В.Д., Питиримов О.М. Свойства высокопористых материалов // Порошковая металлургия. 1980. - №12. -С.20-24.

3. Аполлонов В.В., Быстров П.И., Бровольский Ю.А. О возможности использования жидкометаллических носителей для охлаждения элементов силовой оптики на основе пористых структур // Квантовая электроника. -1981. Т.8, №6. -С.1328-1331.

4. Аравин В.И., Нумеров С.А. Теория движения жидкостей и газов в недеформированной пористой среде. М.: Изд-во техн.-теорет. лит., 1953.-616 с.

5. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1968.-510 с.

6. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем.- Л.: Химия, 1979. 176с.

7. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989. - 366 с.

8. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники.- М.: Машиностроение, 1973.- 288с.

9. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

10. Ю.Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении.-М.: Машиностроение, 1981.-248 с.

11. П.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.-М.: Наука, 1972.-540 с.

12. Галкин М.Н., Попов В.Г., Ярославцев H.JI. Исследование и расчет гидравлических и тепловых характеристик охлаждаемых конструкций с компланарными каналами //Известия вузов. Машиностроение. 1985 -№3- С. 73-76.

13. Гидравлические характеристики оболочек из сетчатых материалов / Ю.А. Зейгарник, А.Ф. Поляков, С.Ю. Сухорученко, Ю.Л. Шехтер // Теплофизика высоких температур. 1996 - Т.34, №6. - С. 924-928.

14. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое Новосибирск : АН СССР, 1984.- 163с.

15. Гомелаури В.И. Влияние искусственной шероховатости на конвективный теплообмен //Труды института физики АН Груз. ССР-1963.-T.IX.-C.112.

16. Гортышев Ю.Ф., Ашихмин С.Р. Надыров И.Н. Исследование теплоотдачи при однофазной конвекции в канале с пористой вставкой // Известия вузов. Авиационная техника.- 1989.- №4.- С-31-35.

17. Гортышев Ю.Ф., Муравьев Г.Б., Надыров Н.Н. Экспериментальное исследование течения и теплообмена в высокопористых структурах // Инженерно-физический журнал. 1987. - Т.53, №3. - С.357-361.

18. Гортышев Ю.Ф., Попов И.А. Исследование теплообмена и гидродинамики в каналах с пористыми вставками // Известия вузов. Авиационная техника 1993,- №3- С. 63-67.

19. Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Якименко Р.И. Интенсификация теплообмена в каналах с искусственной турбулизацией потока // Труды 1-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1994.-Т.8.- С.64-69.

20. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. М.: Высшая школа, 1968. - 396с.

21. Дрейцер Г.А. Компактные теплообменные аппараты.-М.: Машиностроение, 1986.- 74с.

22. Дрейцер Г.А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах // Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1998.- Т.6.- С.91-98.

23. Дрейцер Г.А., Дзюбенко Б.В. Якименко Р.И. Интенсификация теплообмена и анализ методов сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей // Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1998.-Т.6.- С.99-102.

24. Ерошенко В.М., Зайчик ЛИ. Гидродинамика и тепломассообмен на проницаемых поверхностях.-М.: Наука, 1984.-274с.

25. Зарубин B.C. Об оптимальной геометрии оребрения на поверхности теплообмена //Известия вузов. Машиностроение. -1963. -№3. С.26-34.

26. Зарубин B.C. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1966.- 216с.

27. Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П., Икрянников Н.П. Опытные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению в неупорядоченных пористых структурах //Теплоэнергетика 1991-№2 - С.33-38.

28. Ильин Ю.В. Течение газа через пористые металлические перегородки // Известия вузов. Авиационнная техника. 1959. - №1. - С. 65-73.

29. Интенсивность перемешивания теплоносителя в пористых средах / В.В. Воскобойников, А.А. Плаксеев, В.Н. Федосеев и др. // Теплофизика ядерно-энергетических установок. М., 1986. - С. 85-88.

30. Интенсификация теплообмена в кольцевом канале / В.М. Поляев, Л.Л. Морозова, Э.В. Харыбин и др. // Известия вузов. Машиностроение. -1976. №2. - С.86-89.

31. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1976.- 488с.

32. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо C.JI. Интенсификация теплоотдачи в каналах.- М.: Машиностроение, 1990.- 206с.

33. Карлсон, Хоглунд. Сопротивление и теплопередача в соплах ракетных двигателей //Ракетная техника и космонавтика. 1964. - №11. - С. 104109.

34. Кейс В.М., Лондон A.JI. Компактные теплообменники. -М.:Энергия, 1967. -223с.

35. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: Энергия, 1977.-464 с.

36. Коллинз Р. Течения жидкостей через пористые материалы М.: Мир, 1964.-350с.

37. Кох Д., Колони Р. Анализ эффективности охлаждения для случая течения в канале с пористым материалом // Теплопередача.- 1974.- Т.96, №3.- С.66-74.

38. Кох Д., Стивене Р. Увеличение эффективности охлаждения путем заполнения каналов для охладителя пористым материалом // Теплопередача. -1975.-Т.97, №2.- С.153-154.

39. Кудрявцев В.М., Орлин С.А., Поснов С.А. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления в трактах с компланарными каналами // Известия вузов. Машиностроение. -1983. -№4. С.54-58.

40. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. -М.: Атомиздат, 1979. -416 с.

41. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энегроатомиздат, 1990.-376 с.

42. Лыков А.В. Тепломассобмен. Справочник. Москва: Энергия. 1978.- 480

43. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах // Теплоэнергетика,- 1978.-№1.- С.64-70.

44. Майоров В.А., Васильев Л.Л., Поляев В.М. Пористые теплообменные элементы классификация, конструкция, применение // Инженерно-физический журнал.-1984.- Т.47, №3,- С.499-514.

45. Мартиросян А.А., Пелевин Ф.В. Двухкомпонентная вихревая форсунка с компланарными каналами // Известия вузов. Машиностроение. 1993.-№ 7-9.- С. 102-104.

46. Мегерлин, Мэрфи, Берглес. Интенсификация теплообмена в трубах с помощью сеточных и щеточных вставок // Теплопередача. 1974. - №2. -С. 30-38.

47. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования.- Л.: Энергоатомиздат, 1987.- 263 с.

48. Мигай В.К. Об интенсификации теплообмена в каналах путем применения искусственной турбулизации потока // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1965. - №6. - С. 169 - 172.

49. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников.- Л.: Энергия, 1980,- 144с.

50. Микулин Е.И., Шевич Ю.А. Матричные теплообменные аппараты. -М.: Машиностроение, 1983. -111с.

51. Нагога Г.П., Андреев Ю.М., Белоусов А.И. Теплообмен и сопротивление в каналах с пористым наполнителем // Инженерно-физический журнал.- 1986,- Т.51, №2.- С. 187-194.

52. Пелевин Ф.В. Теплообменный кольцевой тракт с компланарными каналами. -М.: Издательство МГТУ, 1994.- 16с.

53. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -472с.

54. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1988. 168 с.

55. Пористые проницаемые материалы. Справочник. / С.В. Белов, П.А. Витязь, В.К. Шелиг и др.- М.: Металлургия, 1987 335с.

56. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы М.: Энергия, 1978,- 704с.

57. Ройзен Л.И., Дулышн И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. -М: Энергия, 1977. -256с.

58. Савостин А.Ф., Тихонов A.M. Исследование характеристик пластинчатых поверхностей нагрева // Теплоэнергетика 1970 - №9-С. 75-78.

59. Сабуров Э.Н., Леухин Ю.Л., Осташев С.И. Интенсификация теплоотдачи в кольцевых каналах с закрученным течением теплоносителем // Труды 2-ой Российской национальной конференции по теплообмену,-М., 1998.-Т.6.-С. 196-198.

60. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2/пер. с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др.-М.:Энергоатомиздат, 1987.-352с.

61. Тепловая защита лопаток турбин / Б.М. Галицейский, В.Д. Совершенный, В.Ф. Формалев и др. -М.: Издательство МАИ, 1996. -356с.

62. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов / В.И. Локай, М.Н. Бодунов, В.В. Жуйков и др. -М.: Машиностроение, 1985.-216с.

63. Харитонов В.В. Теплофизика лазерных зеркал.- М.: Издательство МИФИ, 1993.- 152с.

64. Харитонов В.В., Атаманов В.В., Киселева Ю.Н. Пределы интенсификации теплоотдачи в каналах с пористыми вставками // Труды 1-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1994. -Т.7.- С. 204-213.

65. Харитонов В.В., Плаксеев А.А. Предельные тепловые нагрузки в лазерных зеркалах с охлаждаемой пористой подложной // Теплофизика высоких температур. 1982. - Т.20, №4. - С. 712-717.

66. Шейдеггер А.Е. Физика течения жидкостей через пористые среды.- М.: Гостоптехиздат, I960.- 249с.

67. Бильмаер В.В. Совершенствование теплообменных аппаратов для предприятий сервиса. IX-я Международная научно-практическая конференция «Наука сервису» М.: МГУС, 2004. С. 90-91.

68. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трактах с компланарными каналами / Ф.В. Пелевин, В.В. Бильмаер, Л.А. Каплин, С.А. Орлин// Деп. Рукопись ВИНИТИ 28.05.2004, № 907-В 2004.

69. Бильмаер В.В., Пелевин Ф.В. Разработка нового метода интенсификации теплообмена для оборудования предприятий сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса.-2005.-№ 3 С. 15-19.