авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Комплексное исследование интенсификации теплообмена в высокоэффективных пластинчато-ребристых теплообменниках нового поколения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Васильев Виктор Яковлевич

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ТЕПЛООБМЕНА В ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в

Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Астраханский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Дзюбенко Борис Владимирович, доктор технических наук, профессор Кузма-Кичта Юрий Альфредович, доктор технических наук, профессор Терехов Виктор Иванович.
Ведущая организация: НТЦ им. А. Люльки ОАО «НПО "Сатурн"».

Защита состоится 20 февраля 2012 года в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.125.08 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете).

Отзывы в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 125993, Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, МАИ, Учёный совет МАИ, учёному секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан «____» _____________ 2011 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Ю.В. Зуев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Различные отрасли техники – космическая, авиационная, криогенная, холодильная и т.д., – предъявляют высокие требования к совершенству ребристых теплообменников, определяющемуся их габаритными и массовыми характеристиками, энергозатратами на прокачивание тепло- и хладоносителей, величинами тепловых нагрузок, эксплуатационной надёжностью, технологичностью и экономичностью в изготовлении. Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают пластинчато-ребристые теплообменные аппараты (ТА) двух важных подклассов [R.L. Webb]: «плоское ребро – плоское ребро» – ПРП и «плоское ребро – труба» – ПРТ. В данной работе ребристые теплообменные поверхности (ТП) теплообменников 1-го подкласса определяются как пластинчато-ребристые гладкоканальные – ПРПгл и рассечённые – ПРПрс (рис. 2), 2-го подкласса, как трубчато-пластинчатые гладкоканальные – ПРТгл и с периодически расположенными на стенках каналов (рёбер) попарно сопряжёнными двумерными дискретными турбулизаторами в виде поперечных выступов и канавок – ПРТвк, превращающих гладкий канал в диффузорно-конфузорный (рис. 4).

В некруглых каналах теплообменных поверхностей ТА обоих подклассов сравнительно несложно организуется интенсификация конвективного теплообмена (ИКТ), а при определенных условиях реализуется и процесс рациональной интенсификации конвективного теплообмена (РИКТ), при котором рост теплоотдачи за счёт искусственной турбулизации потока теплоносителя опережает рост, или равен росту, аэродинамических потерь по сравнению с таким же по форме поперечного сечения, но гладким каналом при одинаковых режимах течения в них. Отмеченное обстоятельство достигается генерацией вихрей в каналах в основном только в пристеночном слое течения теплоносителя двумя результативными способами: 1-й – обтекание плохо обтекаемых тел, что имеет место в наиболее эффективных и перспективных рассечённых теплообменных поверхностях при обтекании теплоносителем лобовых поверхностей множества торцов рёбер с острыми кромками; 2-й – течение теплоносителя на диффузорно-конфузорных участках при соответствующих углах раскрытия диффузора, что имеет место в каналах теплообменных поверхностей с дискретными турбулизаторами на рёбрах (стенках каналов) в виде поперечных выступов и канавок. Отсутствие результатов систематических исследований процессов ИКТ, а в соответствующих условиях и РИКТ, в прямоугольных каналах ПРПрс и ПРТвк ТП, являющихся весьма технологичными и обеспечивающими при высоких величинах параметров щелевидности каналов значительные степени оребрения, заметно осложняет разработку и создание эффективных парогазовоздушных и, особенно, газожидкостных теплообменников, работающих в режимах , где << . Существенные площади теплового контакта компактных ТП с парогазовоздушными теплоносителями (при высоких значениях коэффициентов термической эффективности работы ребристых насадок), приводят к снижению внешней необратимости и повышению энергетической эффективности циклов газовых машин, паровых холодильных машин и, особенно, криогенной техники.



Пластинчато-ребристые теплообменные аппараты отличаются значительно большей компактностью, чем любые практически возможные теплообменники с круглыми трубами [W.M. Kays…]. В некруглых каналах их теплообменных поверхностей очень несложно и весьма целесообразно с большой результативностью реализовывать интенсификацию конвективного теплообмена искусственной турбулизацией потока теплоносителя. При обилии использующихся в технике гладкоканальных пластинчато-ребристых ТА, интенсификация конвективного теплообмена в гладких каналах их поверхностей теплообмена позволит значительно снизить объёмы и массы сердцевин теплообменников, практически не требуя затрат на изменение технологического процесса их производства.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является получение новых результатов систематических экспериментальных исследований процессов интенсификации конвективного теплообмена двумя результативными способами в прямоугольных каналах поверхностей теплообмена высокоэффективных компактных пластинчато-ребристых теплообменников обоих подклассов различного назначения.

Достижение цели потребовало решения следующих задач:

а) разработки, апробации и применения в исследовании метода прямого экспериментального определения коэффициента потерь давления потоком на трение в каналах ТП, позволяющего однозначно выявить влияние механизма генерации вихрей способом рассечения длинных гладких каналов пластинчато-ребристых ТП на их теплоаэродинамические характеристики;

б) исследования влияния изменения величин основных безразмерных геометрических параметров на тепловые и аэродинамические характеристики ПРПрс и ПРТвк ТП;

в) в случаях реализации процессов РИКТ в каналах ПРПрс и ПРТвк ТП:

– определения весьма важных с научной точки зрения максимальных значений оценок реализуемых в прямоугольных каналах процессов РИКТ при () = для ПРПрс ТП и при () = для ПРТ ТА;

– определения пределов рационального уменьшения величин основных параметров рассечения (l/d)min, относительной толщины ребра (/d)min для ПРПрс ТП и относительной длины гладкого участка канала (l/d)min, степени сужения сечений каналов (d*/d)min для ПРТвк ТП;

– определения диапазонов изменения значений текущих оценок для каждого случая реализации процесса РИКТ при () = 1 для ПРПрс ТП и при () = 1 для ПРТ ТА, соответствующих экспериментальной ширине областей РИКТ по значениям режимного параметра – критерия Рейнольдса Remin Rei Remax;

г) предложения и апробации метода оценки теплоаэродинамической эффективности процесса РИКТ двух используемых в исследовании способов искусственной турбулизации потока теплоносителя, а также графических зависимостей, позволяющих определять и наблюдать интересующее конструкторов ТА непрерывное изменение оценки и величин основных безразмерных геометрических параметров процесса РИКТ во всей области его реализации по числам критерия Рейнольдса;

д) структурирования обобщённой схематизации областей изменения основных геометрических безразмерных параметров, определяющих реализацию процесса РИКТ в прямоугольных каналах ПРПрс и ПРТвк ТП и апробации схематизации в реальных композиционных координатных системах на основании полученных экспериментальных результатов;

е) получения удобных в практической работе аналитических и графических материалов для расчётов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ТА с исследованными типами ПРПрс и ПРТвк ТП;

ж) проведения апробации использования формально одинаково выстроенных безразмерных геометрических параметров влияния на процесс РИКТ в прямоугольных каналах, с целью сопоставления между собой и (или) с результатами аналогичных исследований, известными из литературных источников, теплоаэродинамических характеристик ПРПрс и ПРТвк ТП в единой координатной системе для получения корректных качественных и количественных сравнительных оценок, с точки зрения единого подхода к вихревой ИКТ в пристеночной области течений теплоносителей в некруглых каналах обоими результативными способами;

з) расширения представлений о физической общности процесса РИКТ в исследованных ранее каналах различных геометрических форм на основе новых результатов данного экспериментального исследования.

Объекты исследования представляли опытные пластинчато-ребристые водо-воздушные ПРП и ПРТ теплообменники с экспериментальными теплообменными поверхностями со стороны воздушного потока: из алюминиевых сплавов с гладкими или рассечёнными каналами; из медного проката гладкоканальными или с дискретными турбулизаторами на стенках каналов в виде выступов и канавок.

Методы исследования. Метод стационарного теплового потока с итеративным определением среднего значения истинного коэффициента теплоотдачи от: ПРПрс и ПРПгл ТП к воздуху на основании высокоточного определения расхода воздуха, средних температур воздуха и поверхности плоских многоканальных трубок опытного ТА; от ПРТвк и ПРТгл ТП к воздуху методом экспериментального водо-воздушного теплообменника, работающего в режиме (где << ) на основании высокоточного определения расходов и средних значений температур воды и воздуха. Методы определения аэродинамических потерь в: каналах ПРПрс и ПРПгл ТП – по перепаду статических давлений с введением поправки для устранения погрешности, связанной с увеличением скорости воздуха при нагревании для случаев неизотермических аэродинамических испытаний; ПРТ ТА – по перепаду полных давлений.

Научную новизну исследования составляют:

– метод прямого надёжного экспериментального определения значений коэффициента потерь давления на трение в каналах ПРПрс и ПРПгл ТП, обусловливающего получение чрезвычайно важных, с научной точки зрения, величин истинных максимальных оценок процессов РИКТ при () = 1 без погрешностей влияния потерь давления при входе в теплообменники и выходе из них;

– методика определения максимального значения оценки при () = 1 и отслеживания непрерывного изменения текущих значений оценок процессов РИКТ в каналах ПРПрс ТП при () = 1 и ПРТ ТА при () = 1, основных геометрических безразмерных и режимного параметров в пределах всей области реализации процесса РИКТ, упрощающая поиск рациональных решений и проектирование теплообменников;

– установленные в результате проведённого исследования, не претендующего на исчерпывающую полноту, наибольшие достигаемые значения оценки процессов РИКТ и масштабы областей реализации процессов РИКТ, определившиеся диапазонами изменения значений основных безразмерных геометрических и режимного параметров;





– полученные впервые систематизированные экспериментальные результаты влияния на тепловые и аэродинамические характеристики ТП с каналами прямоугольного поперечного сечения основных безразмерных геометрических параметров: рассечения длинных гладких каналов и относительной толщины ребра – ПРПрс ТП; степени сужения сечения канала и относительной длины гладкого участка канала – ПРТвк ТП;

– максимальные значения оценок процесса РИКТ вследствие искусственной турбулизации потока теплоносителя в прямоугольных каналах при () = 1 для ПРПрс ТП и при () = 1 для ПРТ ТА;

– расширение представлений о физической общности процессов РИКТ генерацией вихрей двумя результативными способами в пристеночном слое течений теплоносителей в каналах различных профилей поперечных сечений.

Основные положения, выносимые на защиту: результаты экспериментального исследования интенсификации конвективного теплообмена в прямоугольных каналах ПРПрс и ПРТвк ТП; методики проведения экспериментального исследования, обработки и обобщения экспериментальных данных, получения оценок реализуемых процессов РИКТ; предлагаемые критериальные и графические зависимости для расчёта теплоаэродинамических показателей исследованных типоразмеров ПРПрс и ПРТвк ТП.

Практическая значимость исследования:

– полученные критериальные и графические зависимости позволяют производить тепловые и аэродинамические расчёты конструкций пластинчато-ребристых ПРП и ПРТ теплообменных аппаратов различного назначения, в которых со стороны воздушных (газовых) потоков используются исследованные типы, соответственно, рассечённых и с поперечными выступами и канавками теплообменных поверхностей;

– в условиях налаженного производства пластинчато-ребристых гладкоканальных теплообменников, применение ТП меньшей длины по ходу воздуха, соответственно, с рассечёнными каналами или с поперечными выступами и канавками на стенках каналов не требует перекомпоновки, изменений в технологии и обеспечивает уменьшение объёмов и масс сердцевин теплообменников с интенсификацией теплообмена;

– оперативность и высокая точность результатов расчётов позволяют рассмотренной и апробированной методике стать надёжным инструментом при сравнении теплоаэродинамической эффективности теплообменников различных типов конструкций, а также при оценке процесса интенсификации конвективного теплообмена в каналах теплообменных поверхностей.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и опубликованы в материалах: XI Всероссийской школы-конференции молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», ИТ СО РАН, Новосибирск, 2010; Пятой Российской национальной конференции по теплообмену, МЭИ, Москва, 2010; Международной 54-ой отраслевой научной конференции, посвящённой 80-летию основания АГТУ, Астрахань, 2010; Seventh International Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers: From Microscale Phenomena to Industrial Applications, Heredia, Costa Rica, 2009; XVII семинаре «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях», ЦАГИ и ФАЛТ МФТИ, Жуковский, 2009; International Symposium on «Convective Heat and Mass Transfer in Sustainable Energy», Yasmine Hammamet, Tunisia, 2009; Международной 53-ей научной конференции АГТУ, Астрахань, 2009; 3-ей Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», МЭИ, Москва, 2008; 6-го Минского международного форума по тепло- и массообомену, Беларусь, 2008; Sixth International Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers: Science, Engeneering and Technology, Potsdam, Germany, 2007; XVI семинаре «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2007; Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, МЭИ, Москва, 2006; Fifth International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, Dubrovnik, Croatia, 2006; Fifth International Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers: Science, Engeneering and Technology, Whistler, British Columbia, Canada, 2005; Международной 49-й научной конференции, посвященной 75-летию АГТУ, Астрахань, 2005; 2-ой Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», МЭИ, Москва, 2005; XXVII Сибирского теплофизического семинара, Новосибирск, 2004; 5-го Минского международного форума по тепло- и массообмену, Беларусь, 2004; Proceedings of the Fourth International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries, Crete Island, Greece, 2003; 48-ой научной конференции АГТУ, Астрахань, 2004; Третьей Российской национальной конференции по теплообмену, МЭИ, Москва, 2002; Proceedings of the Third International Conference on Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries, Davos, Switzerland, 2001; Meeting of commission D2/3 and B2 of the International Institute of Refrigeration, Astrakhan, Russia, 2000; Международной научной конференции, посвященной 70-летию АГТУ, Астрахань, 2000; Международной конференции "Холодильная техника – проблемы и решения", Астрахань, 1999; Meeting of commission D2/3 and B2 of the International Institute of Refrigeration, Astrakhan, Russia, 1997; отраслевом совещании по холодильному направлению, Гипрорыбфлот, Ленинград, 1987; III Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов", МАИ, Москва, 1985; II Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов", МАИ, Москва, 1980; Всесоюзной научно-технической конференции по холоду "Совершенствование процессов, машин и аппаратов холодильной и криогенной техники и кондиционирования воздуха", Ташкент, 1977; Proceedings of the XIV International Congress of Refrigeration, Moscow, 1975.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в сорока четырёх печатных работах.

Объём и структура диссертационной работы. Общий объём диссертации (390 с.) включает: титульный лист и содержание (7 с.); основные условные обозначения (5 с.); введение (9 с.); восемь разделов с промежуточными выводами – 227 с. текста, 178 рисунков, 35 таблиц (314 с.); заключение – сводные выводы по работе и рекомендация (4 с.); список 181-го литературного источника (23 с.); приложение – 3 рисунка, 16 таблиц, 2 акта (28 с.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна, практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи исследования интенсификации конвективного теплообмена в прямоугольных каналах поверхностей теплообмена пластинчато-ребристых теплообменников двух подклассов, а также основные положения работы, выносимые на защиту.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.