авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< 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 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Казанский государственный технический университет

им.А.Н.Туполева

ТЕПЛООБМЕНА

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА

И.А. ПОПОВ

ТЕПЛООБМЕН

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН

ТЕПЛООБМЕННЫХ

В ПОРИСТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ

АППАРАТАХ

ЭЛЕМЕНТАХ И АППАРАТАХ

Казань

2007 УДК 536.24 ББК 31.3 П58 Попов И.А.

П58 Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах. Интенсификация теплообмена: монография / под общ. ред.

Ю.Ф.Гортышова. – Казань: Центр инновационных технологий, 2007. – 240 с.

ISBN 978–5–93962–257–8 Монография посвящена исследованию процессов переноса в каналах с высокопористыми упорядоченными и хаотическими структурами при вынуж денной конвекции теплоносителя. Показаны технические приложения исполь зования пористых структур в качестве интенсификаторов теплообмена в со временном машиностроении и энергетике. Изложены методы эксперименталь ного исследования процессов переноса в пористых структурах. Представлены результаты исследований гидросопротивления, внутрипоровой и эффективной теплоотдачи при вынужденной конвекции теплоносителя в каналах с пористы ми структурами. Даны рекомендации по использованию различных типов ин тенсификаторов теплоотдачи в виде высокопористых ячеистых проницаемых и упорядоченных пористых материалов в теплообменном оборудовании.

Рецензенты: докт.техн.наук, проф. В.В.Олимпиев (Казанский государственный энергетический университет);

докт.техн.наук, проф. Н.И.Михеев (Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра Российской академии наук) Под общей редакцией проф. Ю.Ф.Гортышова © И.А.Попов, ISBN 978–5–93962–257– © Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева, Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах К 75-летию Казанского авиационного института (КГТУ им.А.Н.Туполева) К 75-летию кафедры теоретических основ теплотехники КГТУ им.А.Н.Туполева – КАИ Предисловие В последние годы во многих отраслях техники, в том числе авиацион ной, ракетно-космической и лазерной, важной проблемой является создание компактных высокоэффективных теплообменных аппаратов различного на значения. Возникающие при этом задачи могут быть успешно решены лишь при интенсификации процессов теплообмена.

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации теплообменных процессов является использование в теплообменных устрой ствах пористых металлов. Физическая основа этого способа заключается в высокой интенсивности теплообмена между металлическим каркасом и про текающим сквозь него теплоносителем вследствие высокоразвитой поверх ности их соприкосновения и эффективного перемешивания в порах.

Широкий диапазон свойств пористых материалов, простота изготовле ния из них элементов конструкций, высокая интенсивность теплообмена – все это дает возможность использовать пористые материалы в самых различ ных условиях.

В настоящее время с использованием различных технологий созданы пористые материалы различной структуры. Для отмеченных выше областей техники большой интерес представляют структуры высокой пористости, имеющие малый вес и низкое гидравлическое сопротивление, что особенно важно при фазовых превращениях теплоносителя.

Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов на осно ве пористых структур проводится с помощью уравнений сохранения массы, импульса сил и энергии с соответствующими начальными и граничными ус ловиями. Математическая модель в общей постановке достаточно сложна и не имеет точного аналитического решения. Поэтому вводятся различного ро да допущения и эмпирические зависимости для коэффициентов переноса, входящих в уравнения и граничные условия.

Таким образом, необходимы обширные экспериментальные исследова ния для получения информации о гидравлическом сопротивлении, механизме и интенсивности теплопереноса при движении охладителя в пористых струк турах для замыкания математической модели. И если характеристики струк тур малой и средней пористости и процессы тепломассообмена в них доста точно изучены, то для структур высокой пористости эти вопросы исследова ны не достаточно глубоко.

Цель монографии – систематизировать имеющиеся данные по гидро динамике и теплообмену при вынужденной конвекции теплоносителя в кана Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах лах с высокопористыми вставками, проанализировать возможность макси мальной интенсификации теплоотдачи при умеренных гидравлических поте рях.

Обзор и анализ ранее опубликованных статей и монографий базируется на работах С.В.Белова, М.Э.Аэрова, В.Н.Крымасова, В.М.Поляева, А.В.Пустогарова, В.В.Харитонова, В.А.Майорова, Г.П.Нагоги, Л.Л.Васильева В.В.Апполонова, Ю.А.Зейгарника, В.И.Субботина, Ю.Ф.Гортышова, К.Вафаи, А.Е.Берглса и многих других. Перевод иностран ных статей выполнен автором.

Основные результаты работы получены автором в Казанском государ ственном техническом университет им.А.Н.Туполева – КАИ.

Автор выражает благодарность канд. техн. наук Константину Эдуардо вичу Гулицкому (Израиль) и канд. техн. наук Абдусаляму Мохаммеду Ал Мехеригу (Ливия) за совместное проведение и обработку результатов экспе риментов, канд. техн. наук Ильдару Наильевичу Надырову и канд. техн. наук Геннадию Борисовичу Муравьеву за предоставленные материалы для главы и параграфов 4.1 и 4.2, канд. техн. наук, доценту Алексею Валентиновичу Щелчкову и инженеру Виталию Сергеевичу Колкунову за помощь в органи зации проведения экспериментальных исследований.

Автор благодарен докт. техн. наук, профессору Юрию Федоровичу Гортышову за научные консультации, обсуждение и глубокий анализ работы, научное редактирование рукописи и полезные рекомендации и замечания.

Автор высоко ценит свою принадлежность к научной школе профессора Ю.Ф.Гортышова.

Автор выражает искреннюю признательность рецензентам докт. техн.

наук, заведующему лабораторией Исследовательского центра проблем энер гетики Казанского научного центра РАН Николаю Ивановичу Михееву и докт. техн. наук, профессору Казанского государственного энергетического университета Вадиму Владимировичу Олимпиеву.

Автор выражает благодарность коллективу НИИ проблем порошковой металлургии Российского инженерно-технического центра порошковой ме таллургии (г.Пермь) за предоставленные для исследования образцы высоко пористого ячеистого материала и теплообменных аппаратов на их основе.

Появлению монографии во многом способствовали всесторонняя под держка и дискуссии с докт. техн. наук, профессором Московского авиацион ного института Генрихом Александровичем Дрейцером и докт. техн. наук, заведующим лабораторией Объединенного института высоких температур РАН Юрием Альбертовичем Зейгарником. Автор выражает благодарность профессору Университета штата Огайо Камбизу Вафаи (США) за всесторон нюю поддержку исследований и предоставленные опубликованные материа лы своих исследований.

Монография подготовлена и издана в рамках работ по грантам Россий ского фонда фундаментальных исследований и программ Министерства об разования и науки Российской Федерации.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Условные обозначения Латинские а – размер грани поры, м;

c – теплоемкость, Дж/(кг К);

D – коэффициент диффузии;

Dэ – эквивалентный диаметр канала, м;

d – диаметр, м;

F – площадь, м2;

G – массовый расход, кг/с;

Н, h – высота, м;

j= w – плотность массового потока, кг/м2с;

1, L –длина, м;

М – масса, кг;

Р – давление, Па;

S – площадь поверхности каркаса, м2;

T – температура, K;

t – шаг, расстояние между центрами пор, м;

Q – тепловой поток, Вт;

q – плотность теплового потока, Вт/м2;

Rкт – термическое сопротивление контакта, м2 К/Вт;

r – радиус, м;

V – объем, м3;

w – скорость, м/с;

х – координата, м;

у – координата, м.

Греческие – вязкостный коэффициент сопротивления, м–2;

w – эффективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К);

v – объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3 К);

– инерционный коэффициент сопротивления, м–1;

Гх – полное гидравлическое сопротивление.

– перепад;

т – толщина теплового пограничного слоя, м;

д – толщина динамического пограничного слоя, м.

– коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах µ – коэффициент динамической вязкости, м2/с;

– коэффициент кинематической вязкости, Па· с;

0 – доля тепла, переносимого по каркасу;

П – пористость;

периметр, м;

– число Пи;

– плотность, кг/м3;

– время, с;

касательные напряжения;

– безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления.

Безразмерные комплексы Fr – критерий Фруда;

Ja – число Якоба;

Ка – число Кармана;

Nu – критерий Нуссельта;

Рr – критерий Прандтля;

Ре – критерий Пекле;

Rе – критерий Рейнольдса;

St – число Стантона.

Индексы 0 – невозмущенный поток;

D – диаметр канала;

f – поток;

g – гладкий канал;

V – внутренний;

w – стенка.

вх – вход;

вых – выход;

гл – пустой, гладкий канал;

д – дисперсионный;

динамический;

ж – жидкость;

к – каркас;

м – молекулярный;

отн – относительный;

п – пористый, пора;

ср – средний;

т – тепловой;

ф – фильтрация;

э – эквивалентный;

эф – эффективный.

Сокращения ВПЯМ – высокопористый ячеистый материал;

ИТ – интенсификация теплообмена;

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ИТО – интенсификатор теплообмена;

ПВМ – пористый волокнистый материал;

ПМ – пористый материал;

ППМ – порошковый пористый материал;

ПСМ – пористый сетчатый материал;

ПТЭ – пористый теплообменный элемент;

ТА – теплообменный аппарат;

ТЭ – теплообменный элемент;

УПМ – упорядоченный пористый материал;

ХК – хромель-копель.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ГЛАВА 1. ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ, СВОЙСТВА Классификация пористых материалов 1.1.

Разработка конструкций теплообменных элементов возможна только при использовании наиболее оптимальных материалов и при использовании всех современных технологических возможностей.

Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации тепломассообменных процессов является использование в теплообменных устройствах пористых металлов. Физическую основу этого способа состав ляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем вследствие очень раз витой поверхности их соприкосновения. Практическая реализация этого способа стала возможной только после того, как развитие технологии и, в первую очередь, порошковой металлургии позволило производить разнооб разные пористые материалы.

Пористые среды, в том числе и пористые металлы, характеризуются целым рядом параметров, каждый из которых в отдельности не дает полно го представления о свойствах пористого тела. К параметрам, определяющим пористую структуру, относятся: пористость, ее распределение по объему тела и вид (открытая, закрытая, полуоткрытая или тупиковая);

просвет;

проницаемость и распределение проницаемости по площади фильтрации пористого тела;

форма и коэффициент извилистости пор;

распределение пор по размерам, средние и максимальные размеры пор;

вязкостный и инерци онный коэффициенты;

удельная поверхность пор;

состояние поверхности пор;

физико-механические свойства пористого тела и другие характеристи ки.

Пористостью П тела называется отношение объема Vп пустот к пол ному объему V пористого тела [1]:

Vn П=. (1.1) V Идеальной пористой средой (рис.1.1) называют сплошную пластину, пронизанную в направлении фильтрации системой цилиндрических каналов Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах одного диаметра, длина которых равна толщине пластине [1]. Идеальную пористую среду иногда используют как модель реальной пористой среды.

Однако как по строению пор, так и по характеру течения жидкости в порах идеальная пористая среда не подобна реальной пористой среде.

Реальная пористая структура имеет сущест венные особенности. Поры, как правило, представ ляют собой искривленный канал переменного попе речного сечения как по форме, так и по размерам;

поэтому при описании характера течения жидкостей в порах необходимо весьма осторожно использовать закономерности, справедливые для каналов пра вильной геометрической формы.

Для установления закономерностей течения жидкостей в порах рядом исследователей предложе ны различные модели пористого тела в виде круг Рис.1.1. Идеальная лых каналов с переменным проходным сечением, пористая среда каналов с большим числом сосредоточенных гидро сопротивлений (дроссельных шайб, равномерно расположенных по длине канала, щелей различной формы и т.д.). Однако предлагаемые модели не отражают полностью явлений, происходящих в порах при фильтрации жидкостей, и не могут служить расчетной моделью реальной пористой структуры.

Течение жидкостей в пористой среде обладает рядом особенностей, обусловленных строением порового пространства: в реальной пористой среде поры представляют собой искривленные каналы с переменной пло щадью и формой поперечного сечения;

все поры сообщаются между собой поперечными каналами;

характерные геометрические размеры пор пере менны;

возможны различные режимы течения в соседних порах при одина ковых градиентах давления жидкости по длине пор, поскольку в любой по ристой среде поры распределены по размерам от максимальной до мини мальной поры;

размеры неровностей на поверхности пор могут быть соиз меримы с размерами пор, что приводит к высокой относительной шерохова тости поверхности пор;

относительная шероховатость поверхности пор за висит не только от высоты неровностей на поверхности пор, но и от их раз меров, которые, в свою очередь, являются функцией параметров технологи ческого процесса, пористости и размеров частиц среды. Особенности строе ния порового пространства обусловливают возникновение при течении жидкостей или газов в порах ряда специфических гидродинамических явле ний.

Основные свойства пористых материалов определяются их простран ственной структурой и химическим строением матрицы. Величина пористо сти, распределение размеров пор, распределение пор в пространстве и их форма обусловливают такие важнейшие свойства, как прочность, электро- и Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах теплопроводность, гидравлическая прочность, фильтрационные характери стики и т.д.

В технике и науке используются упорядоченные и неупорядоченные (хаотические) структуры.

К первым относятся щеточные, вафельные, щелевые, перекрестные (скрещивающиеся, компланарные) микроканалы, шаровые засыпки, наборы перфорированных пластин.

Щеточные структуры образованы пучком круглых в сечении стерж ней (шипов), перпендикулярных теплообменной поверхности (стенке) и по перечно обтекаемых потоком теплоносителя.

Вафельные структуры с коридорным или шахматным расположением шипов (ребер, призм) аналогичны щеточным структурам за тем исключени ем, что шипы вафельной структуры имеют острые ребра, которые влияют на характер обтекания шипов.

Пористый слой со щелевой структурой образован системой парал лельных щелей (каналов прямоугольного сечения) и разделяющих их пло ских ребер. Щелевые структуры характеризуются отсутствием межканаль ного перемешивания.

Из сферических частиц одинакового размера можно организовать шесть основных регулярных упаковок, которые подробно исследованы в связи с их аналогией упорядоченному расположению атомов в кристалличе ской решетке. Эти упаковки отличаются числом контактов шара с соседями (координационным числом) и формой ячеек. Минимальное координацион ное число к=6 и максимальную пористость П=0,476 имеет квадратная упа ковка. Наибольшее координационное число к=12 и минимальную порис тость П=0,2595 имеет плотная гексагональная упаковка.

Ко второму типу относятся сетчатые материалы, образованные паке тами спеченных (паянных) металлических сеток различного плетения;

пру жинные вставки;

волокнистые материалы (рис.1.2) и металлорезина (рис.1.3), образованная спеченной хаотической намоткой проволоки;

по рошковые или зернистые структуры, сформированные путем спекания ме таллических порошков;

высокопористые проницаемые ячеистые материалы (пороматериалы, ВПЯМ).

Сетчатые структуры обычно изготовляют из пакета спеченных (пая ных) металлических сеток, тканевых (фильтровальных) полотняного или саржевого переплетения [1]. Сетчатые материалы изготовляют из проволоки диаметром 30–1000 мкм с шероховатостью поверхности (холоднотянутой проволоки) обычно менее 1 мкм. Удельная поверхность проволок и гидрав лический диаметр пор в пакете сеток определяются по формулам.

Зернистые структуры (рис.1.4) формируют в результате спекания ме таллических порошков. Технология изготовления и физические свойства зернистых (порошковых) материалов описаны в многочисленных публика циях [1–4]. Зернистые слои характеризуются хаотической (случайной) структурой (упаковкой), однако при использовании сферических частиц Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах зернистые слои становятся шаровыми засыпками с регулярной структурой, описанной выше.

Рис.1.2. Волокнистый материал Рис.1.3. Металлорезина Рис.1.4. Зернистый пористый спеченный материал и его структура Наиболее перспективным материалом для изготовления габаритных облегченных теплонагруженных элементов является пороматериал. Осо бенности структуры и технологии изготовления, детерминировавшие уни кальный комплекс физико-механических свойств пороматериалов, позво ляют использовать пороматериалы во многих отраслях науки и техники.

Технология изготовления пороматериалов на сегодняшний день позволяет получать образцы из различных металлов и их сплавов с размерами ячеек от десятков микрон до десятком миллиметров, пористостью вплоть до 99%.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах При этом наблюдается высокая степень однородности характеристик мате риала по объему образцов.

Пороматериал имеет характерную сетчато-ячеистую структуру (рис.1.5–1.7).

Рис.1.5. Фотография металлических образцов пороматериала (ВПЯМ) Рис.1.6. Фотография пороматериала (ВПЯМ) разной пористости (П=0,85– 0,95) и с разными диаметрами пор (dп=0,61–3,5 мм) Технология получения поромате риала, или ВПЯМ, разработана в НИИ порошковой металлургии (г.Пермь).

Известен ряд способов получения ме таллов с пористостью до 90–95 %. К ним относятся спекание металлических Рис.1.7. Фотография структуры волокон и вспененных пластмасс, со керамического пороматериала держащих порошки металлов, структу (ВПЯМ) рообразование на органических волок нах путем пропитки разложимыми со Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах лями с последующим спеканием и т.д. В НИИ порошковой металлургии (г.Пермь) получены высокопористые металлы и керамика путем модели рования пористой структурообразующей матрицы. Способ получения за ключается в пропитке матрицы из пенополиуретана суспензией металличе ского порошка, сушке полученной заготовки, нагреве ее в восстановитель ной среде с целью удаления неметаллических компонентов и спекания.

Рис.1.8. Схема элементарной ячейки пороматериала Пространственная структура таких порометаллов приставляет собой трехмерную ячеистую сеть с размерами ячеек, варьируемыми от 0,4 до 4 мм, и открытой пористостью от 75 до 97%.

Элементарная ячейка пороматриала или ВПЯМ (рис.1.8) представляет собой полиэдр с остью, близкой к вытянутому эллипсоиду вращения. От ношение этих величин ячеек вдоль направления вспенивания к средним значениям диаметров в перпендикулярном направлении определяется тех нологией получения пористых материалов и составляет 1,1–1,3. Укладка ячеек близка к плотной упаковке шаров и в среднем каждая ячейка имеет примерно двенадцать соседей и соответственно столько же граней. Мате риал основы сосредоточен в матричном каркасе из трехгранных ребер перемычек, которые соединяются в узлах многогранных ячеек. Средняя длина перемычек составляет около 0,4 от среднего диаметра ячейки. Осо бенностью некоторых таких структур является наличие пустот в элементах каркаса, что позволяет достигать значений пористости до 99%.

1.2. Применение пористых интенсифицирующих элементов в технике Развитие авиационной и ракетно-космической техники характе ризуется непрерывным увеличением теплонапряженности двигателей и энергетических установок летательных аппаратов, а также элементов их конструкций. Успешное решение возникающих при этом задач невозможно без интенсификации процессов массопереноса.

Широкий диапазон структурных, теплофизических, гидравлических, химических, оптических и других свойств пористых материалов, простота Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах изготовления из них элементов конструкций, высокая интенсивность тепло обмена – всё это дает возможность использовать пористые теплообменные элементы в различных экстремальных условиях. Одновременно с интен сивным теплообменом с помощью пористых элементов можно реализовать процессы фильтрования, разделения фаз, дросселирования и т.д.

Пористыми теплообменными элементами (ПТЭ) будем называть уст ройства, в которых осуществляется теплообмен между проницаемой матри цей и потоком жидкости внутри нее.

Несмотря на большое разнообразие теплообменных устройств с по ристыми элементами по назначению, конструктивному оформлению, свой ствам и фазовому состоянию теплоносителя, общим для них является теп лообмен между пористым материалом и теплоносителем, а основное отли чие заключается в условиях подвода теплоты внутрь проницаемой структу ры.

Рис.1.9. Пористые теплообменные элементы с подводом (отводом) теплоты внутрь проницаемой матрицы теплопроводностью от боковой сплошной стенки: а – канал с проницаемой вставкой;

б – межтрубное пространство, заполненное пористой матрицей;

в – поверхность с ребрами, вершины кото рых соединены с проницаемой перегородкой;

г – поверхность, покрытая слоем пористого материала, в котором имеются каналы Рассмотрим ПТЭ с подводом (отводом) теплоты внутрь пористого ма териала теплопроводностью от имеющей с ним идеальной тепловой контакт герметичной нагреваемой (охлаждаемой) поверхности (рис.1.9). Здесь мож но выделить четыре основных варианта: канал с проницаемой вставкой (рис.1.9а);

межтрубное пространство, заполненное пористой матрицей (рис.1.9б);

поверхность с ребрами, вершины которых соединены с прони цаемой перегородкой (рис.1.9в);

поверхность, покрытая слоем пористого материала, в котором имеются каналы (рис.1.9г). В последних двух вариан тах теплоноситель проходит сквозь пористую структуру и движется по ка налам вдоль поверхности.

Основное назначение ПТЭ с подводом теплоты от сплошной стенки – интенсификация теплообмена между поверхностью и омывающим ее пото ком теплоносителя. Здесь качественно меняется механизм переноса тепло ты: она от непроницаемой стенки передается с помощью теплопроводности Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах через каркас внутрь проницаемой матрицы и затем поглощается потоком теплоносителя за счет интенсивного внутрипорового теплообмена. Порис тый заполнитель должен иметь высокую теплопроводность и идеальные те пловой и механический контакты со стенкой.

Рис.1.10. Жидкостный ракетных двигатель, стенки горловины 1 сопла кото рого охлаждаются компонентом топлива, прокачиваемого через пористую вставку Этот метод интенсификации позволяет с помощью однофазного теп лоносителя охлаждать сплошную стенку, подверженную воздействию больших тепловых потоков, например, при конвективном охлаждении сте нок ракетных двигателей (рис.1.10) и лопаток газовых турбин (рис.1.11), элементов электронной аппаратуры и других теплонапряженных устройств.

В частности, за счет охлаждения прокачкой воды через проницаемую под ложку может быть обеспечена надежная работа лазерного отражателя (рис.1.12). Такой способ охлаждения в настоящее время – единственный при малых размерах или сложной форме нагреваемых конструкций, в кото рых невозможно выполнить каналы для охладителя. Например, лопатки ма лых газовых турбин ракетных двигателей с максимальной толщиной про филя порядка 3 мм, хордой около 2 см и длиной от 1 до 2 см обычно не ох лаждаются, что ограничивает температуру газового потока и эффективность таких турбин. Изготовление лопаток из волокнистого металла 1 (рис.1.11а), покрытого снаружи тонким герметичным слоем керамики 2 и охлаждаемого продольным потоком газа, вытекающего через вершину, позволяет снять эти ограничения.

Наибольшее распространение для технологических СО2-лазеров по лучили металлические зеркала с системами активного (вынужденного) ох лаждения многоканального типа (рис.1.12). Простейшие конструкции таких зеркал схематично показаны на рис.1.13. Применяют сетчатые металлы и структуры в виде спеченных порошков, сеток, порометаллов и т.п. [5–7].

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах а б Рис.1.11. Системы охлаждения лопаток двигателей с пористыми вставками:

а – малогабаритная пористая лопатка газовой турбины: 1 волокнистый ме талл;

2 – керамическая волокнистая оболочка;

I – сечение лопатки;

б – сече ние передней кромки лопатки газовой турбины, охлаждаемой охладителем, прокачиваемым через пористую вставку и далее обеспечивающим пленоч ное охлаждение Рис.1.12. Схема охлаждаемого лазерного зеркала: 1 – отражающая пластина, 2 – охлаждающий пористый слой, 3 – жесткая основа Рис.1.13. Схемы многоканальных систем охлаждения лазерных зеркал: а – трубчатая;

б – щелевая;

в – щеточная;

г, д – вафельные с коридорным и шах матным расположением шипов;

е – струйная Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах а б Рис.1.14. Схемы ядерных реакторов: а – кассета реактора ВГР с насыпными микро- и макротвэлами;

б – продольный разрез активной зоны реактора ВТГР-500 с засыпками шаровых твэлов В высокотемпературных газовых реакторах используются сфериче ские микротопливные частицы. Они позволяют создать в зоне максимально го теплосъема пористое тело в виде шаровой или зернистой засыпки, харак теризующееся высоким уровнем конвективного теплообмена. К таким рек торам относятся ректоры типа AVR, THTR-300, ВТГР, БГР [8,9]. Схемы шаровых и зернистых засыпок в высокотемпературных газовых ядерных ре акторах показаны на рис.1.14. Пористые трубчатые твэлы ядерных реакто ров описаны в патенте № 1241441 (Великобритания, 1971) и а.с. № (СССР, 1982).

Метод интенсификации теплообмена с помощью пористых материа лов послужил причиной того, что одновременно с развитием технологии из готовления пористых металлов было предложено большое количество кон струкций разнообразных теплообменных устройств, в которых каналы или межтрубное пространство заполнены такими металлами.

Основные конструкции теплообменных устройств с использованием ПТЭ данного типа приведены на рис. 1.15.

На рис. 1.15а изображен теплообменник, в котором пористые попе речные матрицы 1 размещены как во внутренней, так и во внешней трубе.

Эти вставки имеют одинаковую толщину и расположены в одной плоско сти.

Как видно из рис. 1.15б, пористая матрица 1 заполняет зазор между стенками, образуя два диаметрально противоположных канала 3 для про дольного подвода и отвода теплоносителя I. Здесь реализуется его продоль но- поперечное движение: продольное – в подводящем 2 и отводящем 3 ка налах;

поперечное – сквозь матрицу 1 в окружном направлении.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.1.15. Схемы пористых теплообменных аппаратов: 1 – матрица;

2, 3 подводящие и отводящие каналы;

I – теплоноситель;

а – теплообменник с пористыми матрицами на внутренней и внешней трубе;

б, в – каналы с меж канальной транспирацией теплоносителя На рис. 1.15в пористая матрица 1 также заполняет пространство меж ду двумя оболочками, но продольные подводящие 2 и отводящие 3 каналы расположены равномерно по окружности и примыкают к стенкам. Попереч ное течение теплоносителя I сквозь матрицу осуществляется в радиальном направлении, что позволяет снизить затраты мощности на его прокачку.

Интересно отметить, что здесь проницаемый каркас может передавать зна чительные механические усилия от внутренней трубы к внешней. Если внутренняя стенка является оболочкой твэла, то это позволяет полностью разгрузить ее от давления газообразных продуктов деления и изготовить предельно тонкой. Конструкцию, представленную на рис.1.15в, можно ис пользовать для охлаждения элементов, подверженных воздействию боль ших механических нагрузок, например, подшипников.

Для упрощения изготовления значительных по размерам устройств ПТЭ предложено собирать их из отдельных модулей. Последние состоят из трубы, окруженной слоем проницаемой матрицы, и имеют такой контур, что могут плотно монтироваться вместе в теплообменник желаемой формы.

В настоящее время известно большое количество рекуперативных те плообменных аппаратов (ТА) на основе пористых материалов [а.с.

№ 375460 (СССР, 1975), а.с. № 504913 (СССР, 1976), а.с. № 547585 (СССР, 1977), а.с. № 644997 (СССР, 1979), а.с. № 918760 (СССР, 1982), а.с.

№ 1322071 (СССР, 1985);

патент № 36881083 (США, 1972)].

Для интенсификации теплообмена на поверхности в настоящее время наиболее часто используется оребрение. Авторы а.с. № 1702152 (СССР, 1991) предлагают увеличить интенсивность теплообмена на оребренных по верхностях за счет установки на поверхность ребер пористого покрытия, причем покрытие выполнять переменной толщины, монотонно увеличи вающейся от основания ребра к вершине. Однако большее распространение получили пористые покрытия, наносимые непосредственно на теплообмен ную поверхность [а.с. № 872937 (СССР, 1982) (рис.1.16), а.с. № Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах (СССР, 1982), а.с. № 1538005 (СССР, 1990);

патент № 2511842 (ФРГ, 1982)].

Данный способ отличается своей простотой и технологичностью.

Авторы многих работ дают рекомендации по использованию различ ных пористых структур в том или ином случае. Например, в а.с. № (СССР, 1980) рекомендуется использовать многослойное оребрение в виде компактно уложенных, спаянных шаров, а в заявке № 2900430 (ФРГ, 1981) предлагается использовать пористый слой в виде вязанной металлической сетки из теплопроводных частиц, в заявке № 2500143 (ФРГ, 1982) и патенте № 4291758 (США, 1982) – спаянной засыпки мелкозернисто го материала. Особый интерес представляет предложение авто ров заявки № 0303493 (ЕРV, 1985) использовать покрытие, близкое по структуре к ВПЯМ.

Указанное разнообразие применяемых пористых структур показывает, что для каждого кон кретного случая интенсификации теплообмена можно подобрать материал, удовлетворяющий раз личным требованиям. Развитие Рис.1.16. Теплообменный элемент технологии получения пористых [а.с. № 872937 (СССР, 1982)]: 1 – материалов различных структур перфорированные пластины;

2 – дис- открывает перед конструкторами танцирующие элементы, образую- новые перспективы для создания щие трубу;

3 – внешнее пористое по- высокоэффективных и компакт крытие;

4 – труба;

5 – трубная доска;

ных ТА.

Существует ряд работ, в ко 6 – вкладыш торых авторы. стремясь интенси фицировать теплообмен на по верхностях, предлагают использовать различные выемки или каналы под пористым покрытием, например, как это сделали авторы патента № (США, 1983), а.с. № 486205 (СССР, 1975). Данные каналы служат для под вода и/или отвода теплоносителя, при этом часто уменьшая гидравлическое сопротивление ПТЭ и стабилизируя процесс теплообмена.

Разработка различных технологий изготовления пористых структур с переменой по длине или высоте пористостью также не осталось без внима ния создателей ПТЭ, например, авторов а.с. № 1183822 (СССР, 1985). Авто ры а.с. № 1190181 (СССР, 1985) и а.с. № 1223020 (СССР, 1985) предлагают более сложный вид установки покрытия с переменной пористостью на ох лаждаемую поверхность для интенсификации процесса теплоотдачи. Пред лагается на поверхность между пористой структурой и самой поверхностью Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах нагрева на равном расстоянии устанавливать проставки, причем, пористая структура должна иметь с поверхностью нагрева контакт между смежными проставками.

Использование пористых структур в виде поверхностных покрытий нашло применение не только при создании отдельных ПТЭ, но и ТА в це лом, как способ интенсификации процесса теплообмена при минимальном уровне гидросопротивления. В а.с. 836501 (СССР, 1981) описан кожухот рубный теплообменник, содержащий корпус и каналы, выполненные внутри корпуса в виде последовательно чередующихся диффузорных и конфузор ных участков с теплоотдающими поверхностями. Причем на теплоотдаю щих диффузорных участках каналов размещено пористое покрытие (рис. 1.17).

Рис.1.17. Кожухотрубный теплообменник [а.с. № 836501 (СССР, 1981)]: 1 – корпус;

2 – входной и выходной каналы;

3 – диффузорные участки;

4 – кон фузорные участки;

5 – пористое покрытие.

Теплообменный элемент кожухотрубного теплообменника, реали зующий принцип оребренной поверхности, где вместо ребер используется спеченный пористый порошковый материал, описан в а.с. № (СССР, 1985). Здесь теплообменный элемент в виде трубы имеет внутрен ние и наружные насадки, причем последние выполнены с продольными ка налами, открытыми с одного конца и закрытыми с противоположного (рис.1.18). Предусматривается также, что насадки могут иметь встречно ориентированные каналы или продольные ребра на наружной поверхности внутренней насадки, образующие каналы, при том что наружная насадка выполнена в виде муфты с соответствующими продольными ребрами на внутренней поверхности, либо в ребрах стакана и муфты дополнительно выполняются продольные каналы.

Пористые структуры, как уже указывалось выше, применяются не только в виде покрытий на теплообменные поверхности, но и в виде пере крывающих поперечное сечение вставок в каналы различной формы.

В известных ТА в виде вставок, так же как и для пористых покрытий, используются пористые материалы различной структуры, например, в виде пакетов сеток [а.с. № 916958 (СССР, 1982), а.с. № 1399634 (СССР, 1988)], пакетов перфорированных пластин с проставками [а.с. № 872937 (СССР, Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 1981)], засыпок шаров [а.с. № 1698614 (СССР, 1991)] и других типов. По ристые вставки в каналы могут создаваться с переменной по перечному се чению или по длине пористостью и удельной поверхностью. Такая особен ность способствовала созданию целого ряда ТА, где такие структуры соз дают непосредственно каналы и являются в них интенсификаторами тепло обмена [а.с. № 1165868 (СССР, 1985)]. Однако при применении в каналах пористых вставок резко возрастает гидравлическое сопротивление. Перед создателями встает проблема создания ТА с высоким уровнем интенсифи кации теплообмена при приемлемом уровне гидравлического сопротивле ния.

Рис.1.18. Теплообменный элемент кожухотрубного теплообменника [а.с.

1193429 (СССР, 1985)]: 1 – внутренние пористые насадки;

2 – прокладки;

3 – наружные пористые насадки.

Для уменьшения гидросопротивления предлагается выполнять встав ки с переменной по ее длине удельной поверхностью, причем в а.с.

№ 1366849 (СССР, 1988) предлагается при перемещении нагретого газа или охлаждаемой жидкости вставку выполнять с возрастающей от входного се чения к выходному удельной поверхностью, а при перемещении охлаждае мого газа или нагретой жидкости вставку выполнять с уменьшающейся в том же направлении удельной поверхностью. В а.с. № 1366850 (СССР, 1988) предлагается кроме удельной поверхности изменять и пористость вставки. Вставка выполняется с увеличивающейся по длине канала удель ной поверхностью при уменьшающейся пористости, причем при перемеще нии нагретого газа или охлаждаемой жидкости вставка выполнена с порис тостью, увеличивающейся в направлении движения, а при перемещении на греваемой жидкости – с пористостью, уменьшающейся в том же направле нии.

В а.с. № 1486735 (СССР, 1989) предлагается вставки, используемые как интенсификаторы теплообмена, устанавливать в каналах дискретно с Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах помощью различных видов дистанционных элементов, например, в виде стержня с упорными втулками, ленточной спирали или кольцевых каналов внутри трубы на уровне заднего по ходу теплоносителя торца каждой по ристой вставки. Таким методом можно при точном знании гидравлической картины течения теплоносителя во вставках и на выходе из них значительно увеличить интенсивность теплообмена при незначительном росте гидросо противления.

Гидравлическое сопротивление в каналах с пористыми вставками также удается резко снизить, формируя в теле пористой матрицы различные каналы, сверления [патент № 2893703 (США, 1958), патент № (США, 1967), а.с. № 1453147 (СССР, 1989)].

Рис.1.20. Теплообменник типа «тру Рис.1.19. Элемент теплообменника ба в трубе» с сетчатыми матрицами типа «труба в трубе» с многозаход [а.с. № 731256 (СССР, 1980)]: 1 – ными винтовыми ребрами на наруж корпус;

2 – внутренний канал с сет ной поверхности внутренней трубы чатой матрицей;

3 – внутренняя тру [а.с. № 676844 (СССР, 1979)]: 1 – ба;

4 – элемент сетчатой матрицы;

внутренняя труба;

2 – капиллярно – наружный канал;

6,7,8,9 – входные пористый материал;

3 – наружная и выходные патрубки труба;

4 – канал для течения тепло носителя В настоящее время теплообменники типа «труба в трубе» широко ис пользуются в энергетических и технологических установках. Известны теп лообменники данного типа с многозаходными винтовыми ребрами на на ружной поверхности внутренней трубы, установленные с зазором относи тельно внутренней поверхности наружной трубы [патент № 3777343 (США, 1973)]. Однако такой теплообменник обладает недостатком: относительной низкой интенсивностью теплообмена, обусловленной, главным образом, Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах лишь турбулизацией потока теплоносителя. Применение известного тепло обменника не обеспечивает надежной работы в высокотеплонагружаемых аппаратах. С целью интенсификации теплообмена в а.с. № 676844 (СССР, 1979) ребра рекомендуется выполнять из капиллярно-пористого материала с размерами пор, увеличивающимися по высоте ребра (рис. 1.19).

Другим эффективным способом интенсификации теплообмена в ТА типа «труба в трубе» (рис.1.20) является использование сетчатых матриц из теплопроводного материала, разделенных прокладками из нетеплопровод ного непроницаемого материала, образующих внутреннюю трубу и имею щих участки, расположенные в кольцевом канале и образующие оребрение наружной стенки [а.с. № 731256 (СССР, 1980)]. По внутренней трубе с сет чатой матрицей циркулирует газ, который передает тепло в кольцевое про странство, где движется жидкость. Частичное отсутствие сетчатой матрицы в кольцевом пространстве позволяет избежать значительного роста гидрав лического сопротивления. Оребрение наружной стенки внутренней трубы и сетчатая матрица внутри нее позволяют интенсифицировать (до 3–10 раз) теплоотдачу за счет развития поверхности теплообмена.

Наиболее эффективным с точки зрения увеличения интенсификации теплообмена является применение пористых вставок в каналах обоих теп лоносителей, например, как в патенте № 3433299 (США, 1967), где каналы с противонаправленными течениями теплоносителей полностью заполнены пористыми вставками.

Рис.1.21. Теплообменник с применением пористых вставок в каналах обоих теплоносителей [а.с. № 561073 (СССР, 1977)] Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Однако основным недостатком таких ТА является высокий уровень гидравлического сопротивления, являющийся следствием неблагоприятного в аэродинамическом отношении профиля обтекания. Устранению этого не достатка способствует применение в качестве пористого материала набора сеток, выполненных из листа с фигурными отверстиями, образованными перемычками [а.с. № 561073 (СССР, 1977)]. Реализуется условие высокой пористости, способствующее уменьшению гидравлического сопротивления.

Теплопередача в таком ТА осуществляется следующим образом: горячий теплоноситель а (рис.1.21), проходя по каналам 4 пакета и обтекая сетки, передает им тепло (конвективный теплообмен). Тепло, получаемое сетками за счет теплопроводности, передается в каналы 5, по которым проходит и нагревается при обтекании холодный теплоноситель в. Применение сетча тых структур позволяет также снижать весогабаритные характеристики ТА.

Другим примером применения пористых структур в каналах ТА яв ляется противоточный газовый теп лообменник [а.с. № 512364 (СССР, 1971)], в кожухе которого размеща ются пакеты пористых матриц, раз деленных проставками, образую щими каналы для холодного и го рячего потоков. Но в указанном те плообменнике происходит снижение коэффициента теплопередачи по длине канала из-за изменения теп лофизических параметров потока.

Этот недостаток был устранен в а.с.

№ 731263 (СССР, 1980), авторы ко торого предложили (рис. 1.22) в те Рис.1.22. Противоточный газовый плообменнике данного типа выпол теплообменник: 1 – кожух, 2 – мат- нять матрицы с переменной порис рица;

3,4 – каналы для холодного и тостью, уменьшающейся в направ горячего теплоносителей;

5,6,7,8 – лении движения горячего потока по патрубки;

9 – проставки ступенчатому закону. Уменьшение пористости матриц в канале способ ствует сохранению постоянной ско рости потока по всей длине канала. Аналогичным образом сохраняется по стоянной и скорость холодного газа, так как одновременно с нагреванием газа в смежном канале пористость матриц по ходу его движения увеличи вается. Неизменность скоростей холодного и горячего потоков способствует выравниванию коэффициента теплопередачи по длине каналов и интенси фикации теплообмена в целом.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Описания интересных конструкций ТА на основе различных типов пороматериалов также представлены в а.с. № 840662 (СССР, 1981), а.с.

№ 1084583 (СССР, 1984) и патенте № 4438276 (США, 1985).

Кроме интенсификации теплообмена, в некоторых случаях требуется стабилизация температуры одного из теплоносителей или регулирование мощности теплосъема. Регулирование теплосъема теплообменного элемен та, в котором теплоносители, текущие сквозь пористые вставки, разделен ные стенкой, осуществляется при помощи использования в этой стенке по лости, подключенной к источникам промежуточных теплоносителей с раз личными коэффициентами теплопроводности, снабженных регуляторами расхода [а.с. № 1423905 (СССР, 1988)]. Для расширения функциональных возможностей таких ПТЭ полость стенки рекомендуется заполнять прони цаемой структурой [а.с. № 1223009 (СССР, 1986), а.с. № 1223020 (СССР, 1986)].

Пористые структуры используются, кроме вышеуказанных случаев, связанных с интенсификацией теплообмена при течении однофазного теп лоносителя, также и для интенсификации процессов теплообмена при тече нии теплоносителей с фазовыми переходами. Наиболее интересные конст рукции ТА на основе пористых материалов различной структуры для дан ных условий представлены в а.с. № 494585 (СССР, 1975), а.с. № (СССР. 1989), а.с. № 1469288 (СССР, 1989), патент № 3168137 (США, 1965), патент № 3170512 (США, 1965), патент № 3394756 (США, 1968), патент № 4458748 (США, 1985).

Пористые структуры нашли также применение в TЭ и ТА с объёмным тепловыделением [а.с. № 163305 (СССР, 1964), а.с. № 369449 (СССР, 1971), а.с. № 369449 (СССР. 1973), а.с. № 746960 (СССР, 1980), патент № (Великобритания, 1971) и № 1446417 (Великобритания, 1976), патент № 3833791 (США, 1974) и № 3944490 (США, 1976)] и в теплоаккумулирую щих установках [патент № 4520862 (США, 1986)].

Литературный анализ показал, что ведется активная работа по созда нию теплообменных аппаратов с пористыми материалами в качестве интен сификаторов теплообмена. Поэтому необходимы исследования по прогнози рованию и оптимизации теплообменных аппаратов на основе обоснованных и апробированных математических моделей по расчету теплоотдачи и гид равлического сопротивления в каналах с пористыми интенсификаторами.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ В КАНАЛАХ С ПОРИСТЫМИ ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ТЕПЛООБМЕНА 2.1. Аналитические и численные решения задач гидродинамики и теплообмена в пористых структурах При фильтрации жидкостей или газов в пористой среде различают три основных вида течения: молекулярное, ламинарное и турбулентное. По скольку переход от одного типа течения к другому не имеет выраженных границ, то в пористой среде рассматривают два переходных режима тече ния: от молекулярного к ламинарному и от ламинарного к турбулентному.

Каждый режим течения в пористой среде обладает характерными особенно стями взаимодействия частиц жидкости одна с другой и с поверхностью пор.

Основной зависимостью, определяющей режим течения жидкости в порах, принято считать связь между скоростью движения жидкости в порах и градиентом давления в пористой среде. Иногда вместо скорости движения жидкости в порах рассматривают скорость фильтрации жидкости.

Большинство выполненных до сих пор теоретических исследований процессов в пористых структурах [1,10–14] основано на применении моди фицированного закона Дарси [1,11], связывающего градиент давления, силу тяжести, вязкостное сопротивление пористой среды и влияние сил инерции на гидродинамику течения в пористой среде:

grad p = µ ж w + ж w 2, (2.1) где и – вязкостный и инерционный коэффициенты пористой среды.

Вязкостный коэффициент и коэффициент проницаемости K пористой среды связаны соотношением:

= 1/К.

Выражение (2.1) описывает ламинарный, турбулентный и переходный режимы течения жидкости в пористой среде при пренебрежении влияния сил тяжести.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Так как удельный секундный расход жидкости связан со скоростью фильтрации жидкости соотношением j=жwф, то уравнение (2.1) можно за писать в виде:

р вх р вых = µ ж j+ j2. (2.2) g жl где l – длина пористого тела.

За определяющую скорость при обработке опытных данных по гид равлическому сопротивлению пористой среды принимают либо скорость фильтрации wф жидкости, либо скорость движения жидкости wп в порах.

Эти скорости связаны соотношением:

wф = wп П.

Скорость фильтрации жидкости рассчитывают по пол ному сечению пористого образца, а скорость жидкости в порах – по площади пустот в поперечном сечении образца;

последняя явля ется средней скоростью движе ния жидкости в порах. С физи ческой точки зрения скорость жидкости в порах точно отражает происходящие процессы, что по зволяет с большим основанием Рис.2.1. Пример численного расчета по принимать ее за определяющий ля скоростей в хаотической пористой параметр при обработке опытных среде данных по гидравлическому со противлению пористой среды в критериальной форме.

Для случая фильтрации газа в порах, выразив плотность газа по урав нению состояния через его средние параметры в пористой среде, уравнение (2.3) можно записать в виде:

2 р вх р вых = µ ж j+ j2, (2.3) 2RTl где R – газовая постоянная;

Т – средняя температура газа в порах.

Зависимости (2.2) и (2.3) можно использовать для определения потерь давления при фильтрации жидкости или газа в пористой среде лишь в слу Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах чае, когда известны значения вязкостного и инерционного коэффици ентов пористого тела.

Попытки теоретически определить коэффициенты и не привели к желаемым результатам из-за недостатка сведений о структуре пористой среды. Эти коэффициенты определяют экспериментально по расходным ха рактеристикам пористой среды. Широкое применение получил эксперимен тальный метод определения значений и, предложенный Ю.В. Ильиным.

Широкое применение модели Дарси в исследованиях конвективного теплообмена объясняется ее простотой и тем, что она дает хорошие результа ты в тех условиях, когда она справедлива. Применение модифицированной модели течения Дарси оправдывает себя при анализе структур малой порис тости [3]. В то же время существует целый ряд высокопористых материалов [6,15–19], таких как волокнистые материалы и пеноматериалы. При расчете течения в таких средах необходимо учитывать влияние твердых частиц или так называемое условие прилипания на твердой стенке [11,20–22], особенно при переносе тепла через поверхность раздела стенка – насыщенная пористая среда.


В ряде работ для исследования влияния твердых частиц на характери стики течения и теплоотдачи в пористой среде авторы использовали методи ку локального осреднения по объему и полуэмпирические модели.

Исследование ламинарной смешанной конвекции в кольцевом канале с пористой средой в работе [23] позволило наглядно продемонстрировать важ ность учета пристеночных эффектов. Было обнаружено, что при течении в кольцевом канале, заполненном пористой средой, граничные эффекты на на ружной стенке проявляются сильнее, а пренебрежение ими приводило к большим погрешностям определения коэффициента теплоотдачи на наруж ном цилиндре.

Несмотря на важность указанных эффектов, известно лишь небольшое количество исследований конвективного теплообмена в пористых средах, ко торые их учитывают [21,22,24,25] в уравнении движения жидкости в порис той среде:

1 dp d dw µ ж w ж w 2.

0= + ж (2.4) ж dx dp dy Решение уравнения (2.4) может осуществляться различными методами, в том числе методом разделения переменных, методами интегральных пре образований и др. [26,27].

В последнее время широкое распространение для решения сложных краевых задач получили численные методы [28–33]. При этом обычно урав нение количества движения приводится к интегральному виду, аппроксими руется конечно-разностным аналогом и решается итерационным методом.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах При решении задач пористого транспирационного охлаждения обычно гидравлическую и тепловую задачи разделяют [6,34]. Система уравнений не стационарного теплообмена в пористой среде в общей постановке имеет вид:

Tк к ск = div( км gradTк ) + q v v (Tк Т ж ), (2.5) ( w ж c p ж Tж ) div( ж gradTж ) + v (Tк Т ж ) = где q v – мощность внутренних источников теплоты, – время.

При анализе системы уравнений (2.5) принимают целый ряд допуще ний, касающихся свойств пористого материала и потока жидкости. Напри мер, в работах [19,35,36] принято, что жидкость и твердая матрица находят ся в локальном термодинамическом равновесии. Это позволяет значительно упростить алгоритм расчета и получить решение аналитическими методами для различных геометрий пористой среды. Применение допущения о равно весии температур каркаса и жидкости оправдано для высокопористых мате риалов с относительно низкой теплопроводностью каркаса. В других случаях применение подобного допущения может привести к существенным ошиб кам [3].

Расчет стационарного температурного состояния пористой бесконеч ной пластины заданной толщины при течении охладителя поперек стенки с постоянным массовым расходом приведен в работах [10,12,37]. Рассматрива лись 2 случая: объемное тепловыделение и подвод тепла к внешней поверх ности пористой стенки. Решение осуществлялось аналитическим методом.

В работах [10,14,29,38] детально рассмотрена задача пористого охлаж дения цилиндрической стенки. Найдено решение теплогидравлической зада чи с учетом зависимости свойств от температуры [10]. Разработанный алго ритм численного решения исходной системы уравнений методом прогонки реализован на ЭВМ.

Решение системы уравнений (2.5) при постоянстве теплогидравличе ских свойств приведено в [29], а для однотемпературной модели в [14]. Рас четы для однотемпературной модели проводились с использованием эмпи рических температурных зависимостей для теплопроводности стенки и теп лоемкости охладителя.

Рассмотренные выше работы большей частью касались исследования эффективности транспирационного (объемного) охлаждения. Расчет тепло обмена с подводом тепла от непроницаемой стенки значительно сложнее, требует построения более сложной математической модели по сравнению с транспирационным охлаждениям (рис.2.2).

В работе [39] в одномерной постановке приведен расчет температур ных полей в пористом охлаждаемом слое, примыкающем к сплошной стенке, на которую падает тепловой поток. Были введены следующие допущения:

тепловой поток равномерно распределен по поверхности, толщина пористого Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах слоя бесконечно велика и превышает глубину прогрева, температура и ско рость движения теплоносителя по толщине пористого слоя постоянны. Рас пределение температуры по толщине пористого слоя в этих условиях описы вается уравнением:

а б Рис.2.2. Расчетные схемы: а – транспирационне охлаждение стенки;

б – ох лаждение канала пористой вставкой с теплоподводом через непроницаемую стенку 2Tк км = s v (Tк Tж )Sv, y где s v – коэффициент теплоотдачи, определенный по поверхности порис того каркаса;

Sv – внутренняя поверхность теплообмена.

Использование коэффициента s v позволило исследовать качествен ные закономерности процесса, но количественные оценки по подобной мето дике для большинства пористых структур сделать затруднительно.

В работе [40] аналогичная задача решается в иной постановке. Расчет ная модель – плоский пористый полубесконечный слой. Ось у направлена от непроницаемой поверхности, ось х – вдоль нее (у=0). Тепловой поток равно мерно распределен по поверхности у=0. Жидкость движется вдоль оси х пер пендикулярно направлению теплового потока со средней скоростью w = G /( ж П). В каждой точке (х,у) гомогенизированного пористого слоя средняя температура каркаса Тк(х,у) превышает среднюю температуру жид кости Тж(х,у) вследствие конечной величины коэффициента объемного теп лообмена v. Пренебрегая теплопроводностью каркаса и жидкости в направ лении ее течения, авторы записывают систему уравнений нестационарного теплопереноса по каркасу и жидкости в виде:

2Tк Tк к с к = км v (Tк Т ж ) y. (2.6) c Tж Tж = v (Tк Т ж ) +w ж p ж x Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах При задании граничных условий принимается, что все поглощенное тепло сначала передается каркасу. Подобное условие не учитывает поглоще ние тепла жидкостью, примыкающей к стенке, за счет теплоотдачи и спра ведливо для высокотеплопроводных пористых структур малой пористости.

Решение системы (2.6) осуществлялось методом интегральных преобразова ний Лапласа.

Такая же задача о теплообмене в обогреваемом канале (при заданной плотности теплового потока на стенке) с пористым металлическим наполни телем при течении однофазного охладителя с учетом разности температур наполнителя и жидкости и переноса тепла в охладителе решена в работе [41].

Полученное в ней общее решение позволяет определить относительную ин тенсивность теплоотдачи при использовании пористых наполнителей в зави симости от режимных параметров, совокупности теплофизических свойств наполнителя и охладителя и структурных характеристик пористого материа ла.

Расчет теплового состояния пористого слоя конечной толщины при до пущениях, аналогичных принятым в работе [42], осуществлен в работе [43].

Система уравнений была записана в виде:

2Tк 0 = км v (Tк Т ж ) y 2Tж c w Tж = (T Т ) + ж p ж x vк ж эф ж y и решалась аналитически. Решение получено в виде ряда. Здесь км и эф ж – гомогенизированные коэффициенты теплопроводности каркаса и жидкости вдоль оси у, причем под эф ж понимается эффективная теплопроводность жидкости с учетом ее перемешивания.

Типичная двумерная задача охлаждения теплонагруженной стенки рассмотрена в работе В.В.Харитонова [51]. В работе определяются темпера туры каркаса и жидкости в плоском однородном пористом слое толщиной h и длиной l, нагреваемом в плоскости z =0 тепловым потоком q и охлаждае мом однофазным теплоносителем, который движется плоскопараллельным потоком со скоростью фильтрации wф (рис.2.3).

Нижняя поверхность слоя z = h теплоизолированна. Толщина слоя и размер частиц каркаса малы по сравнению с длиной и толщиной пористого слоя. Перенос тепла от нагреваемой стенки вглубь пористой среды осуще ствляется в общем случае благодаря теплопроводности каркаса к и жидко сти ж, причем эффективная теплопроводность жидкости может значитель но превышать молекулярную теплопроводность за счет эффекта перемеши вания в сообщающихся порах.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.2.3. Схемы охлаждаемого пористого слоя (а) и профилей температуры каркаса и жидкости (б) Перенос тепла вдоль слоя осуществляется преимущественно движу щейся жидкостью так, что эффектом теплопроводности жидкости и каркаса в этом направлении можно пренебречь по сравнению с эффектом конвек ции. Такое предположение наиболее точно выполняется в случаях щеточной и вафельной систем охлаждения. Распределение скорости жидкости по толщине пористого слоя можно считать однородным (не зависящим от ко ординаты z) и пренебречь ее изменением в достаточно узких пристенных зонах. Свойства теплоносителя и материала каркаса можно принять не зави сящими от температуры, так как перепады температуры в зеркалах должны быть малыми. В каждой точке (х,z) гомогенизированного пористого слоя температура каркаса Тк(х,z) превышает температуру жидкости Тж(х,z). В этих условиях простейшие уравнения нестационарного теплопереноса по каркасу и жидкости принимают вид 2Tк Tк + v (Т к Т ж ) = к ск z (2.7) 2Tж T T + v (Т к Т ж ).

сж ж + w ж = ж z х В этих уравнениях: – время, отсчитываемое от начала облучения зеркала;

ск =(1–П)(с)ТВ и сж = Пс – теплоемкости каркаса и жидкости в расчете на единицу объема пористой среды;

П – пористость каркаса;

и с – табличные значения плотности и теплоемкости теплоносителя и твердого тела (ТВ);

к и ж – эффективные теплопроводности каркаса и жидкости.

Первые члены в уравнении теплопереноса характеризуют скорость изменения теплосодержания в каркасе и жидкости соответственно в резуль тате нестационарности процесса теплообмена. Первые слагаемые в правой части характеризуют поперечный перенос тепла за счет теплопроводности.


Коэффициенты теплопроводности каркаса к и жидкости ж численно рав ны теплопроводности пористого слоя (в направлении оси z), когда в нем нет жидкости (ж=0) и соответственно когда жидкость обтекает нетеплопро Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах водный каркас (к=0). Последние члены в уравнениях (2.7) характеризуют потери тепла каркасом и нагрев жидкости соответственно за счет теплооб мена между ними.

Интенсивность теплообмена между каркасом и жидкостью согласно закону Ньютона–Рихмана в приближении пористого тела характеризуется коэффициентом объемной теплоотдачи v = s Fv, Вт/(м3К), где Fv – удельная смоченная поверхность пор в расчете на единицу объема пористой среды;

s – средний коэффициент теплоотдачи каркаса в микро каналах (порах) в расчете на единицу смоченной поверхности.

Второе слагаемое в левой части второго уравнения (2.7) описывает конвективный перенос тепла жидкостью, движущейся относительно каркаса с эффективной скоростью w=wф/П вдоль оси х.

Условия однозначности решения дифференциальных уравнений (2.7) выражаются:

• начальное условие (при =0) и первое граничное условие (при х = 0) можно объединить Тк(х, z, = 0) = Тж(х, z, = 0) = Тж(х= 0, z, ) = Твх.;

• на границе пористого слоя с нагреваемой стенкой подводимый тепло вой поток перераспределяется по двум каналам: часть тепла о передается каркасу пористого слоя, а другая часть 1–о передается от стенки непо средственно жидкости в пристенных порах (имеющих общую границу со стенкой). Часть н подводимого к пористому слою тепла проникает благо даря теплопроводности каркаса в нижнюю стенку (основу), но в силу усло вия ее теплоизолированности это тепло возвращается в пористый слой не посредственно в жидкость, движущуюся в пристенных порах. Эти сообра жения приводят к граничным условиям:

Т к Т = о (х ) q;

ж ж = [1 о (х )] q при z=0;

к z z Т к Т = ж ж = н (х ) q при z=h.

к z z Важно подчеркнуть, что в приближении пористого тела температура границ пористого слоя Тк(х,0), Тк(х,h) совпадает с температурой стенки в данном сечении х, а температура жидкости в пристенных порах Тж(х,0), Тж(х, h) отличается от температуры стенок на величину температурного на пора в заторможенном пристенном слое жидкости, характеризуемом терми Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ческим сопротивлением 1/w, где w – коэффициент эффективной теплоот дачи от стенки к жидкости в пристенных порах. Следовательно, доли тепла о и н можно определить так:

w (Т к Т ж ) 1 o ( x ) при z = 0;

= н ( x ) при z = h.

q Для анализа распределения температуры в пористых слоях весьма удобны пространственные масштабы к = к / v и ж = с р v ф / v, полу чающиеся при делении первого и второго уравнений (2.7) соответственно на к и ж. Масштаб к характеризует глубину прогрева каркаса (в направле нии теплового потока, ось z), а масштаб ж – длину подогрева жидкости (в направлении ее течения, ось х). Первый из них может служить мерой тол щины охлаждаемого слоя, второй – мерой его длины (межколлекторного расстояния для многозаходных систем охлаждения). Величина к = к / к = к v имеет размерность коэффициента поверхностной тепло отдачи и характеризует предельную теплоотводящую способность каркаса.

Она удобна как масштаб коэффициента эффективной теплоотдачи отра жающей стенки зеркала.

Решая сформулированные выше уравнения конвективного теплооб мена в пористом слое, в работе [51] определены нестационарные двумерные поля температуры каркаса и теплоносителя в пористом слое с односторон ним нагревом. Очевидно, разности температур Тк - Твх и Тж – Твх пропор циональны тепловой нагрузке q пористого слоя. Поэтому отношение q к ка кому-либо характерному перепаду температур в слое не зависит от тепло вой нагрузки и может служить мерой интенсивности охлаждения пористого слоя.

Интенсивность охлаждения или нагрева можно охарактеризовать, как это принято в теории теплообмена, двумя коэффициентами теплоотдачи:

местным и эффективным.

Коэффициент местной теплоотдачи q м (х ) =, Т к (х, z = 0 ) Т ж (х ) где Т ко = Т ж ( х, z)dz – средняя по длине l пористого слоя температура l жидкости.

Коэффициент эффективной теплоотдачи Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах q w =, Т ко Т вх где Т ко = Т к ( х, z = 0)dх – средняя температура нагреваемой поверхности l пористого слоя.

При постоянной плотности теплового потока среднюю температуру жидкости на данном расстоянии х от входа можно определить, интегрируя непосредственно второе уравнение (2.7) для Тж по всей толщине пористого слоя (по z) с учетом граничных условий, затем интегрируя полученное вы ражение для Т ж по х от 0 до х. Полученное таким образом уравнение мате риально-теплового баланса дает линейный (вдоль потока) закон изменения средней по сечению пористого слоя температуры жидкости q Т ж (х ) = Т вх +.

c р w ф h Зная величину коэффициента местной теплоотдачи и температуру жидкости, можно определить температуру горячей стенки пористого слоя:

х q = Т вх + q.

Т к (х,0 ) = Т ж (х ) + + с р w ф h м м В работе [171] рекомендуется для расчета полей температур на входе в пористый слой пользоваться выражением:

+ th (H) 0 = х = 0;

;

2 + (1 + 2 ) th (H) w где = ;

к = к v ;

H = h / к ;

к = к / v ;

h – высота канала.

к На распределение температур в пористом каркасе и текущем сквозь не го теплоносителе важное влияние оказывает соотношение между величинами эффективной теплопроводности каркаса к и эффективной теплопроводно сти жидкости ж. Можно выделить несколько случаев:

1) если к =0, то для расчета полей температур следует принимать, что 0 = 1, =0;

2) при ж / к = можно выделить два случая:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах • если к 0, то 0 =0, и все тепло от тепловоспринимающей стенки пе редается непосредственно жидкости в пристенных порах. В этом случае теп лоотдача определяется значениями w и ж ;

• если ж 0, то 0 по рекомендации [171] может рассчитываться по + th (H) зависимости 0 =.

2 + (1 + 2 ) th (H) 3) если ж / к =, т.е. имеет конечное значение, то для расчета полей температур на начальном участке следует использовать выражение + th (H) 0 =, а для участка стабилизированного теплообмена:

2 + (1 + 2 ) th (H) [H(2 + ) ] + ( + 2 )kH + 2 / ch (kH) 0 =, kH[2k + (1 + 2 k 2 ) th (kH)] где k 2 = (1 + ) / = 1 + 1 /.

Минимальную длину начального участка Хну рекомендуется опреде лять из условия [171]:

X ну 1 / А1, где х = ж Х ну ;

ж = ж с р ж w / v ;

A1 = µ1[ + 1 /(1 + µ1 )] ;

µ1 – первый корень трансцендентного уравнения.

В работе [51] рассмотрен также вариант, когда теплопроводность жидкости велика по сравнению с теплопроводностью каркаса (ж = ).

Этот вариант возможен при интенсивном перемешивании теплоносителя или при использовании жидкометаллического теплоносителя, когда можно пренебречь изменением его температуры в поперечном сечении канала. В этом случае уравнения (2.7) удобно переписать в виде:

2Т к Т к Т ж = ;

z 2 к Т ж Т к Т ж =.

х к Поскольку Тж не зависит от z и совпадает со средней по сечению тем пературой при данном х, то профиль температуры каркаса сохраняется не изменным на любом расстоянии х от входа в пористый слой, включая х=0.

Переходя к безразмерным координатам Х=х/ж, Z=z/к, распределение тем пературы в каркасе и жидкости при ж= получают в виде:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах qX Т к (х, z ) = + Т к (0, z ) к Н, qX Т ж (х ) = + Т вх к Н где Тк(0,z) – профиль температуры каркаса на входе в пористый слой со гласно. Местная теплоотдача и толщина теплового пограничного слоя не за висят от координаты х, оставаясь такими же, как и на входе, и достигая экс тремальных значений при Н1.

При больших толщинах пористого слоя (практически при Н3) тем пература его нижней границы почти не отличается от температуры жидко сти в данном сечении х.

Эффективная теплоотдача, в отличие от местной, убывает с ростом межколлекторного расстояния l (длины пористого слоя) вследствие подог рева жидкости:

1 1 l = +.

эф м 2 c р w ф h Таким образом, в работе [51] сделан вывод, что для интенсификации теплоотдачи стенок с пористыми вставками выгодно уменьшать межкол лекторное расстояние и увеличивать толщину пористого слоя и одновре менно расход теплоносителя (не уменьшая скорости), применять каркасы с максимальной величиной к, а теплоноситель – с максимальной теплоемко стью.

Вариант, что теплопроводность жидкости мала по сравнению с тепло проводностью каркаса (ж = 0), характерен для охлаждения неметалличе ским теплоносителем мелкодисперсного каркаса, изготовленного из высо котеплопроводного материала. Отсутствие поперечного переноса тепла жидкостью означает, что все тепло от стенки пористого слоя воспринимает ся каркасом (0=1, н=0). Уравнения теплообмена сохраняют форму, а их решение, в отличие от предыдущего варианта, получается в виде рядов [51]:

Т к Т вх Х ch (H Z) ( ) cos µ n z 1 e A nX ;

+ =+ 2 q к / к Н shH H n =1 µ n ( 1 + µ n) ( ) Т ж Т вх Х 2 cos µ n z 1 e A nХ, =+ q к / к Н H n =1 µn 2 где µn=n/Н;

Аn= µ п /(1+ µ п ).

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Отсюда получается выражение для расчета местной теплоотдачи [51]:

2 1 e A nX к + =.

м thН H n =1 µ 2 ( 1 + µ 2) n n Попытка создания универсальной модели теплообмена в системах про никающего охлаждения предпринята в работе [167]. Реальные пористые структуры представляют собой набор повторяющихся элементов типа по рошков или волокон, средний линейный масштаб dp которых можно считать заданным. Свободное пространство между этими структурообразующими элементами, характеризующееся величиной пористости П. представляет со бой систему поровых каналов, по которым может фильтроваться охлаждаю щий газ (или жидкость). Если по аналогии с трубами определить гидравли ческий диаметр поровых каналов dэкв как отношение суммарного объема пор к площади омываемой поверхности, то в монодисперсной шаровой засыпке этот линейный размер будет иметь следующий вид:

4V 2 П = d p.

d экв = (2.8) F 3 1 П Это выражение можно считать пределом, к которому линейный мас штаб реальных поровых каналов будет стремиться в том случае, если части цы имеют одинаковый размер, а площадь их контактных пятен стягивается в точку. В процессе формирования пористых структур исходные частицы мо гут дробиться и деформироваться, что делает оценку dэкв по формуле (2.8) весьма приближенной. На практике самой адекватной характеристикой структуры проницаемых материалов является, по-видимому, перепад давле ния Р по толщине пористого слоя l, который зависит от расхода фильт рующегося газа, его вязкости и плотности, а также эмпирической константы (проницаемости К = 1/ ). Аппроксимационное соотношение, связывающее проницаемость К со средним диаметром частиц dp и пористостью П для большого набора засыпок, предложенное С.Эргун, имеет вид:

d 2 П p К=. (2.9) 150(1 П ) Если допустить, что d экв ~ К, то при наличии аппроксимации (2.9) и идеального предела (2.8) получим:

d экв = 12 К. (2.10) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Сравнивая выражения (2.10) и (2.8) для шаровых засыпок нетрудно убедиться в их совпадении при П = 0,44 (это характерное значение пористо сти для шаровых засыпок).

После выбора представительного размера пористых структур можно перейти к обобщению данных по интенсивности внутреннего теплообмена и замыканию системы уравнений, описывающих тепловой режим пористой оболочки с фильтрующимся через нее теплоносителем.

Литературные данные об эффективной теплопроводности жидкости ж относятся в основном к шаровым и цилиндрическим засыпкам [2], ще точным и сеточным структурам [42,45].

Значение ж можно определить из различных эмпирических моделей [1,3,10,27,46,47]. Методы экспериментального определения ж описаны в работах [2,42,44].

Согласно [2,38], ж является суммой молекулярного м и дисперсного д (с учетом перемешивания жидкости) коэффициента теплопроводности.

Величина м учитывает механизм передачи тепла посредством молекуляр ной теплопроводности.

Коэффициент д отражает дисперсионный механизм переноса тепла.

Дисперсия вытекает из перемешивания локальных струй жидкости в извили стых сообщающихся каналах, образованных каркасом. Перенос тепла при перемешивании стремится уменьшить градиент температуры в твердой фазе.

Считается, что процесс носит макроскопический характер. В работе [2] для расчета д предложена модель:

д = kf c p f wl, где k – константа, зависящая от типа пористой среды;

l – длина пути пере мешивания;

w – средняя скорость течения.

При учете эффективной теплопроводности ж в исследованиях тепло обмена температурный градиент на стенке по-прежнему остается большим [45], а вдали от стенки распределение температуры по толщине канала стано вится более равномерным, что соответствует экспериментальным данным.

В отличие от других работ, авторы [48] вычисляют д аналитически на основе осреднения дифференциальных уравнений с быстро осциллирующи ми коэффициентами. В работе рассматриваются пористые среды различной конфигурации, но при условии d d п ( d и d п – средний диаметр перемы чек и пор), при этом учитывается конечность скорости теплообмена между жидкостью и пориcтым каркасом. Результаты теоретических расчетов нахо дятся в хорошем соответствии с экспериментальными [2], охватывают ос новные случаи и режимы процессов теплообмена в пористых средах с низкой пористостью и малым диаметром пор и позволяют обосновано рассчитывать необходимые коэффициенты перемешивания.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Существует несколько иной подход [51]. Перемешивание жидкости в сообщающихся порах определяет эффективную (турбулентную) диффузию Dж и теплопроводность ж= срDж жидкости. Можно установить взаимо связь между эффективной теплопроводностью жидкости в пористой среде и ее гидравлическим сопротивлением в виде:

ж = 0 + Е w фс р, где Е=10±2 – безразмерный численный коэффициент;

0 – теплопровод ность покоящейся жидкости в пористой среде.

Формула удобна тем, что позволяет оценить эффективную теплопро водность жидкости в пористой среде с любой структурой по данным гид равлических испытаний.

Практически во всех исследованиях, за исключением работ [19,20,45], рассматривается стержневой режим течения, т.е. скорость, рассчитанная по расходу и площади проходного сечения канала, постоянна. Поэтому для пра вильного учета большого температурного градиента около непроницаемой стенки в таких случаях использовались эмпирические коэффициенты тепло отдачи [40,49]. Полученные при этом результаты достаточно хорошо согла суются с соответствующими экспериментальными данными, но в основном относятся к той или иной конкретной установке (каналу).

Необходимо отметить, что все теоретические исследования темпера турного состояния систем пористого охлаждения, основанные на аналитиче ских решениях, применимы лишь к линейным задачам для тел канониче ской формы. Для получения решений в более сложных случаях с учетом пе ременности профиля скоростей и тепловых нагрузок обычно применяются численные методы [19,22,39,50]. Однако аналитические решения при всех прочих равных условиях более удобны для качественного анализа влияния различных факторов на процессы тепломассопереноса.

Теплопроводность к пористого каркаса (не заполненного жидкостью) прямо пропорциональна теплопроводности его материала м и при извест ной пористости каркаса П, согласно В.В.Скороходу, не превышает вели чину:

к (1 – П) м.

Наибольшая теплопроводность каркаса характерна для вафельной, щеточной и щелевой структур. Для спеченных зернистых, волокнистых и сетчатых материалов, а также для трубчатых структур чаще применяют формулы [51]:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 1 П 1 П к = м или к = м.

(1 + П ) 1+ П Вторая из этих формул лучше описывает теплопроводность высоко пористых материалов, в частности порометаллов [52,53].

2.2. Результаты экспериментальных исследований гидродинамики и теплообмена в пористых теплообменных элементах Пористые среды малой и средней проницаемости с различной струк турой широко используются для интенсификации охлаждения компактных теплонагруженных конструкций [1,6,10,38,47,54–56]. Значительная интен сификация конвективного теплообмена при размещении в канале пористых вставок была многократно подтверждена экспериментально [11,25,29,57–61].

Использование вставок из высокопористого материала вызывает качествен ное изменение механизма переноса теплоты и его интенсификации.

Рис.2.4. Влияние основных параметров на распределение температуры скелета порис того слоя в системе с охлаж даемым слоем толщиной hпс на основе пористых материа лов: а – влияние теплопро водности материала на рас пределение температуры ске лета пористого слоя (q= Вт/см2;

Reh=whпс/µ=640;

h/(/)=290;

П=0,4;

Т0=20С):

1 – 0/к= 2 10 2, 2 – 2 10 3 ;

б – влияние плотности тепло вого потока на распределение температуры скелета порис (0/к= 2 10 2, того слоя Nuv=v/(/)2/ж= Reh=640;

=4,5 103 ;

П=0,4;

Т0=20С): 1 – q=200 Вт/см2;

2 – 400;

3 – 600;

в – влияние массовой скорости на распределение температуры жидкости в по ристом слое (0/к= 2 10 2, q=200 Вт/см2;

h/(/)=290;

П=0,4;

hпс=2 мм): 1 – w=165 кг/(м2с);

2 – 320;

3 – 385 [64] Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах В работах [2,26,55,49,45] показано, что распределение температуры в пористых средах зависит от различных параметров. Так, в работе [55] по казано, что теплопроводность каркаса влияет на распределение температур и значит на теплоотдачу в пристенной области. Увеличение теплопроводно сти скелета пористой структуры приводит к увеличению интенсивности теп лоотдачи w. Причем при 0 / к = 2 10 2 теплопроводность каркаса к практически не влияет на w, но при 0 / к = 2 10 3 наблюдается сильное влияние к на w (рис.2.4).

В [2,45,49,64] показано, что распределение температуры в пористых средах зависит не только от расхода теплоносителя, но и от интенсивности перемешивания теплоносителя в сообщающихся порах. На основании полу ченных экспериментальных и расчетных данных в [25,62,63,64] даются ме тодики аналитического расчета температурного состояния пористого образца в канале с течением охладителя и сравнение полученных по ним данных с результатами экспериментов (рис.2.5 и 2.6), полученных для зернистых и вы сокопористых ячеистых материалов. Расчетные кривые отличаются от экспе риментальных. Характер этого отличия позволяет заключить, что, по видимому, величина локального v неравномерно распределена по высоте образца. Причем v возрастает в направлении к нагреваемой стенке. Разра ботка более точных методик требует более полного изучения не только теп лоотдачи, но и распределения скоростей по высоте пористых вставок.

Рис.2.5. Температурное состояние образца из ВПЯМ [62,63]: 1 – темпе ратура твердого скелета;

2 – темпера тура охладителя;

3 – расчет (П=0,86;

w=0,182 м/с;

q=5.95 105 Вт/м2;



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





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

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.