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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева ...»

-- [ Страница 2 ] --

Т ж 0 = Рис.2.6. Распределение температур в зернистой засыпке [25] с d0=5 и 8 мм =19,5С) В работе [45] показано, что теплоотдача, особенно в пористых структурах с низкой теплопроводностью каркаса, зависит от термического сопротивления заторможенного слоя жидкости в пристенных порах. Изме Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах рения проводились с помощью трубки Пито на выходе из пористого слоя, образованного частицами почти идеальной сферической формы. Экспери ментальные данные были аппроксимированы экспоненциальной зависимо стью (рис.2.7) и свидетельствуют о важности пристеночной области, имею щей толщину примерно половину диаметра частиц. Однако авторы [22] ста вят под сомнение приведенное выше распределение скорости. В канале с пористым слоем, образованном сферическими частицами, они выделяют около стенки область быстрого течения в «каналах» (рис.2.8). Образование «каналов» объясняется изменением пористости структуры в пристенной области, а именно ее увеличением вследствие специфичности укладки частиц (формования пористого слоя). Наличие быстрого течения около стен ки приводит к усилению теплообмена. «Канальный» эффект распространя ется, по мнению авторов, на 15% от половины высоты или диаметра канала.

Рис.2.7. Профиль скорости в канале Рис.2.8. Профиль скорости в канале с пористой вставкой [45] с шаровой засыпкой [22] с П=0, В настоящее время имеется довольно большое количество работ, по священных изучению гидросопротивления в пористых структурах малой и средней пористости. Обобщение экспериментальных данных обычно про изводится с использованием вязкостного и инерционного коэффициен тов сопротивления, так как и не зависят от режима течения или типа те плоносителя, а являются собственными характеристиками пористых струк тур.

Вязкостный и инерционный коэффициенты и зависят от пористо сти материала, особенностей строения перового пространства: формы и раз мера пор, извилистости поровых каналов, шероховатости их поверхностей.

Значения и определяются только экспериментально.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах В работе [3] приведены эмпирические зависимости для коэффициентов и для различных пористых структур из частиц дендритной, тарельчатой, гранулированной, сферической и лепестковой формы.

Для порошковых пористых материалов в диапазоне пористости П = 0,1 0,5 зависимости вязкостного и инерционного коэффициентов от по ристости имеют вид:

Размер Форма час- Пористый П частиц, тиц материал мкм 0,25 = 1,25 1010 П 5,3 = 2 10 4 П 6 н.сталь – – 0, 0,11 = 2,5 1010 П 4,9 = 4 10 4 П 8,8 н.сталь 40-125 – 0, 0,30- 280 = 1,8 104 П 5, = 4 109 П 5,8 дендридная н.сталь 0,55 0,30- 100 = 6,2 109 П 5,8 дендридная н.сталь 2;

5;

8 (мм) 0,55 0,27- 150 = 5,2 109 П 9 = 7,5 103 П 5,8 тарельчатая железо 0,49 гранули 0,26 = 8,9 109 П 7 = 6,8 10 2 П 10 титан 50- рованная 0, гранули 0,12 = 1,6 103 П = 1 1010 П 4,5 монель 50- рованная 0, 0,12- 160 = 1,25 108 П = 5 108 П 4 сферическая бронза 0,33 0,12- 200 = 9 10 2 П = 2 108 П 4 сферическая бронза 0,33 0,12- 250 = 6,2 10 2 П = 2 108 П 4 сферическая бронза 0,33 0,30 = 2,4 108 П 5,6 = 2,7 103 П 5,6 волокно никель 0, 0,29 = 2,57 108 П 3,91 = 9,1 10 2 П 5,33 волокно никель 0, В работе ИВТАН [88] измерены гидравлические сопротивления и те плоотдача в охлаждаемых слоях 5050 мм из спеченных металлических се ток толщиной h=0,39–1,07 мм [1–3 слоя сеток с диаметром латунной (Л-80) проволоки около 0,25 мм, пористость 53–72%]. Вязкостный и инерционный коэффициенты гидравлического сопротивления по данным [88] существен но зависят от пористости:

= 4·108 П– 4,5, м–2;

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах = 850 П– 5, м–1.

Гидравлические характеристики зернистых слоев пористостью 21– 36% и толщиной 0,9–3,9 мм из спеченных бронзовых частиц (БрОФ10-1) диаметром 100600 мкм в опытах ИВТАН [88] обобщены выражениями = 171 (1 – П)2 П –3 d –2, м–2;

= 0,635 (1 – П) П–4,7 d –1, м–1.

Для ВПЯМ с П = 0,8...0,93 вязкостный и инерционный коэффициенты зависят не только от пористости П, но и от диаметра ячеек d п.

Рис.2.9. Зависимость комплекса А от удельного расхода j=w при определе нии вязкостного и инерционного коэффициентов ВПЯМ с различной прони цаемостью по методике Ю.В.Ильина [53]: I – область ламинарного течения;

II – переходная область;

III – область турбулентного течения;

1 – ВПЯМ, ин вар, толщина образца =10,7 мм, П=0,919, dп=0,61;

2 – ВПЯМ, инвар, =9, мм, П=0,874, dп=0,93;

3 – ВПЯМ, инвар, =11,5 мм, П=0,913, dп=1,66;

4 – ВПЯМ, инвар, =10,3 мм, П=0,916, dп=2,17;

5 – ВПЯМ, молибден+никель (3%), =13,7 мм, П=0,923, dп=1,89;

6 – ВПЯМ, медь, =18,0 мм, П=0,887, dп=1,72;

7 – ВПЯМ, медь, =16,3 мм, П=0,945, dп=0,62;

8 – ВПЯМ, медь, =17,5 мм, П=0,972, dп=0, Определение вязкостного и инерционного коэффициентов производи лось по методике Ю.В.Ильина, для чего была построена зависимость А = А(j). Из рис.2.9 видно, что эта зависимость имеет три характерных участка:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах линейный горизонтальный I, криволинейный II и линейный наклонный III.

Участок I соответствует ламинарному течению в порах (линейная фильтра ция), III - турбулентному режиму течения. Переход от ламинарного тече ния к турбулентному происходит плавно, без четко выраженных границ, ха рактерных для течения жидкости в каналах правильной формы [1].

Исходя из изложенного выше, вязкостный коэффициент, характери зующий ламинарный режим течения, определялся по формуле =А0/µ, где А0 – отрезок на оси А, отсекаемый горизонтальной частью зависимости А = А(j) (участок I). Инерционный коэффициент, характеризующий турбу лентный режим течения, определялся по тангенсу угла наклона зависимости А = А(j) на участке III. Результаты определения и с ростом пористости сохраняется и при больших ее величинах. Однако здесь проявляется и влия ние среднего диаметра пор на и, особенно на вязкостный коэффициент, в отличие от данных, полученных для средней пористости, где этим влия нием часто пренебрегают.

Рис.2.10. Сравнение результатов по и, полученных для высокопористых образцов с данными работы [1];

– данные Ю.Ф.Гортышова и Г.Б.Муравьева для ВПЯМ с dп=1 мм В результате обобщенные зависимости для вязкостного и инерцион ного коэффициентов в высокопористых структурах, полученные с исполь зованием множественного корреляционного анализа, имеют следующий вид [53] (рис.2.10):

= 6,16 10 7 d п2 П 4,75, (2.11) = 5,61 10 2 d п1П 11, 2, (2.12) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах здесь d п нормирован по 1 мм.

Проведенные экспериментальные работы показывают, что увеличение гидравлического сопротивления в пористых структурах сопровождается ин тенсификацией теплообмена. К сожалению, теория конвективного теплооб мена в пористых средах не в состоянии пока дать физически обоснованную функциональную связь между критериями подобия. По мнению авторов [49,60], прогресс в этом направлении может быть достигнут на пути изучения взаимосвязи между гидравлическим сопротивлением и интенсивностью пе ремешивания в пористых средах. Первые попытки установить универсаль ную взаимосвязь между гидравлическим сопротивлением и теплоотдачей в пористых структурах описаны в работах [65–71]. В этих работах представле ны результаты экспериментального исследования гидравлического сопро тивления, теплоотдачи и эффективной теплопроводности воды в сетчатых вставках и пучках труб. Результаты измерения перепада давления авторы об рабатывали по формуле:

w Р = d п, (2.13) 2d п э П L где d п э - эквивалентный диаметр пор.

К примеру, экспериментальные данные по исследованию d п в кана э лах с пористыми вставками из ВПЯМ согласуются с критериальной зависи мостью [72], полученной по рекомендациям [1]:

( ) 1 + 2,5 10 2 П 8,8 Re d п, d п = (2.14) Re d п где Re d п = wd п / µ.

Зависимость (2.14) опи сывает связь d п и Re d п при э переходном и турбулентном течении жидкости (рис.2.11) в диапазоне Re d п = 200...3000.

В работах [60,68] пред ставлены результаты аналити Рис.2.11. Корреляция экспериментальных ческого исследования по поис данных по гидравлическому сопротивле- ку универсальной взаимосвязи нию канала с ВПЯМ [72] при развитом гидравлического сопротивле течении: 1 – П=0,83, dп=1,75 мм;

2 – ния и теплоотдачи. При этом П=0,92, dп=1,1 мм;

3 – П=0,86, dп=3,0 мм авторы применяют допущения, что зависимости, служащие Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах для описания теплоотдачи и гидравлического сопротивления в гладких трубах, могут использоваться по отношению к этим же процессам, но проис ходящим внутри пор пористой структуры. Это касается описания трения и теплообмена в турбулентных потоках.

Пористый слой со щелевой структурой близок по структуре к идеаль ному пористому материалу. Щелевая структура в отличие от щеточной и вафельной характеризуется одинаковой каркасной теплопроводностью как вдоль, так и поперек потока жидкости, а также отсутствием межканального перемешивания жидкости.

При толщине ребер d и шаге расположения S пористость щелевой структуры и ее удельная поверхность вычисляются по формулам П=1–d/S, Fv=2/S, которые дают v=2/S, ж=П, где – теплоотдача на поверх ности ребер. Гидравлический диаметр каналов dэ=2h/(1+h/), где =S–d – толщина щели. Поскольку число Рейнольдса Re=wdэ/, где w – скорость в щелях, обычно заключено в пределах 102105, т.е. охватывает как турбу лентный, так и ламинарный режимы течения, то величину коэффициента гидравлического сопротивления в гладких каналах можно оценить по фор мулам:

К / Re при Rе Re кр, = (1,82 lg Re 1,64 ) при Rе Re кр.

Для турбулентных режимов в шероховатых каналах со средней высо той неровностей («песочного» типа) пригодна формула 0, = 0,11 +.

d Re э э Критическое число Рейнольдса, соответствующее смене режимов те чения в каналах прямоугольного сечения, изменяется в пределах Rекр=(12)103.

Числовой коэффициент К в формуле для каналов прямоугольного се чения зависит от отношения сторон h/, изменяясь в пределах от К=56, при h/ =1 до К=96 при h/ =. Численные расчеты коэффициента К для промежуточных значений h/ аппроксимируются с погрешностью менее 3% предложенной нами формулой h/ К = 96 156.

(1 + h / ) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Полученные на сегодняшний день результаты экспериментального и аналитического исследований в этом направлении представлены в работе [40]. Закономерность заключается в том, что зависимость коэффициента теп лоотдачи каркаса от его гидравлического сопротивления с приемлемой по грешностью (до 25%) описывается единой функцией для разных структур пористой среды (шаровых засылок, сетчатых и зернистых материалов, пуч ков стержней различного сечения):

( )1/ Nu э = s d э / = К э Re3 Pr1 / 3. (2.15) э Коэффициент К изменяется в пределах 0,1...0,2 при изменении в ши роком диапазоне чисел Рейнольдса Re э = w э d э / µ = 102... 107 и чисел Пран дтля Pr=0,5…2000, пористости П = 0,14...0,80, гидравлического диаметра d э = 0,2... 150 мм для разнообразных сред (рис.2.12).

Предложенная в работах [60,68] модель дает следующую зависимость К от Re э, Р\r, э :

1 0,079C К=.

2 / 3 c Re3 / 2 1 / 4 ( ) 1/ 4 (2.16) 2 1 + Pr 0,2 ln э э Рис.2.12. Зависимость коэффициента К в формуле (2.15) от числа Прандтля и Re 3э : кривые – расчет по (2.16) при С 3 для теплоносителей с Pr от 0, ' до ;

заштрихованные области – экспериментальные данные для попереч но–обтекаемых шахматных (1) и перекрестных (2) пучков круглых и витых (3) труб и шаровых засыпок (4), охлаждаемых воздухом, углекислым газом, водой и маслом Эта зависимость довольно слабая (рис.2.12). Она содержит один эмпи рический коэффициент C 3, характеризующий отношение скоростей дисси пации энергии потока на стенке и в объеме жидкости, К сожалению, в совре Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах менной гидродинамики нет методов расчета ни скорости диссипации энергии в объеме жидкости при ее струйном и отрывном течениях в каналах сложной формы, ни гидравлического сопротивления таких каналов.

Преимущество уравнений (2.15) и (2.16) перед сотнями эмпирических формул заключается в том, что уравнения не содержат «индивидуальных ко эффициентов формы», т.е. имеют универсальный вид для любых пористых сред. Роль коэффициента формы играет коэффициент гидравлического со противления заданной пористой структуры или непосредственно средняя скорость диссипации энергии. Уравнения (2.15) и (2.16) удобны также тем, что позволяют оценить коэффициенты тепломассоотдачи в пористых средах исходя из данных только гидравлических испытаний. Уравнение (2.15) мо жет служить для оценки правильности полученных результатов по теплоот даче и, например, выявить заниженную в несколько раз теплоотдачу шаров без всяких на то физических обоснований [74] (причины этого указаны в [73]). Однако здесь требуется дальнейшее развитие и уточнение модели теп лообмена, изложенной в работах [60,68], а также учет шероховатости по верхности пористого каркаса и выяснения зависимости C от формы пор и коэффициентов тепло- и массообмена.

Необходимо отметить, что экспериментальные данные по исследова нию пористых структур отличаются противоречивостью, что затрудняет их использование для анализов и инженерных прогнозов. Так например, в рабо те [75] отмечается сильная зависимость гидравлического сопротивления сет чатых вставок (П=80%) от пористости, а в работе [17] авторы делают вывод, что в каналах с аналогичными вставками гидравлическое сопротивление за висит только от массовой скорости потока и относительной протяженности канала.

Поперечная диффузия в пористой среде обусловлена перемешиванием жидкости в результате непрерывного изменения направления течения при обтекании твердых элементов пористой среды и образования вихревой структуры потока, характерной для отрывных и струйных течений. Извест ны различные методы измерения поперечной диффузии или теплопроводно сти жидкости [2,40,45,67]. В работах [40,67] показано, что коэффициент по перечной диффузии практически линейно увеличивается с ростом скорости течения воды в соответствии с зависимостью:

D = kwd э. (2.17) Эффективная поперечная теплопроводность движущейся среды в этих работах определяется выражением, аналогичным (2.17):

ж = жм + k1c p wd э. (2.18) Коэффициент k1 здесь такой же, как и k в (2.17);

а жм – коэффициент теплопроводности покоящейся воды, что значительно меньше конвективной Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах составляющей k1c p wd э, которая превышает 100 Вт/(м·К) при w 1 м/с. Тот факт, что коэффициенты k1 и k в (2.17) и (2.18) совпадают, означает, что ме ханизмы переноса тепла и массы в пористых структурах одинаковы.

Большинство описанных в литературе методов измерения поперечной теплопроводности ж основано на измерении поперечного профиля темпе ратуры в зоне смешения охладителя и определения ее осредненной по време ни экстраполированной полуширины. Это сложный и трудоемкий процесс, связанный с необходимостью размещения большого числа датчиков темпе ратуры в пористой среде, либо с перемещениями датчика в поперечном направлении с фиксацией координаты. Кроме того, дифференцирование экс периментально полученной кривой Т(х,у) может привести к большим по грешностям.

Интегральный метод экспериментального определения эффективной теплопроводности воды предложили авторы [69,76,77]. Два плоскопарал лельных потока воды с одинаковой скоростью направлялись в исследуемую пористую среду. На участке длиной L происходило частичное перемешива ние. Потоки на входе имели разные оптические плотности (за счет введения в один из них красителя), в результате перемешивания на выходе из порис той среды оптические плотности потоков сближались по величине. Зная массу М1 введеного в один из потоков красителя и измеряя М0 и М2, прине сенные обоими потоками, можно вычислить линейный параметр перемеши вания по формуле:

[ ], exp 2 L ж (2n + 1) 2 /(H ж c p ж w ) М2 1 = (2.19) М1 2 2 (2n + 1) n = вытекающей из решения уравнения переноса массы в одномерной поста новке. Применение изотермичных потоков позволило авторам исключить перенос тепла по твердой фазе, но у данного метода есть определенная слож ность: необходимо обеспечивать равенство скоростей потоков на входе, иначе возможны отклонения результатов измерения в сторону занижения или завышения величины эффективной теплопроводности ж.

Здесь также следует упомянуть, что авторы [24,78,79] получили зави симости для расчета эффективной теплопроводности теплоносителей в вы сокопористых средах в ходе аналитических исследований с дальнейшей про веркой и уточнением их в ходе проведения экспериментов. Эффективная теплопроводность жидкости для высокопористых структур в данной работе описывается выражением:

при П0,86 эф ж = жм + 4,4 10 3 d п w 3П 12, 2c p, (2.20) при П 0,86 эф ж = жм + 3,5 10 3 d п w 3П 0,97 c p. (2.21) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Вопросы теплопроводности пористых материалов подробно рассмот рены в работах [1,80–82], в том числе для ВПЯМ [15].

Экспериментальные данные по теплопроводности каркаса к для ВПЯМ согласно рекомендациям [15] описываются эмпирической зависимо стью:

к = 0,2 0 (1 П ), (2.22) с точностью не хуже ±35% (здесь 0=км – теплопроводность материала кар каса). На рис.2.13 приведен ряд зависимостей относительной теплопровод ности к / 0 от пористости. Видно, что ВПЯМ, являясь высокопористыми структурами, обладают минимальной каркасной теплопроводностью, соот ветствующей малому процентному содержанию металла по отношению к пустотам. Отсюда следует вывод о том, что каркасная теплопроводность не является решающим фактором в процессе переноса теплоты в высокопо ристых структурах типа ВПЯМ.

Рис.2.13. Зависимость к / о от Рис.2.14. Критериальная зависимость пористости: 1 – зависимость [83];

внутрипоровой теплоотдачи от числа 2 - [3];

3 – [15];

заштрихованная Пекле Pe при движении однофазного область – экспериментальные дан охладителя в канале с ПМ: 1–13 – ные [3] для волокон, сеток, спира данные [11];

14 – [53] лей и сплетенных материалов На основании этой же причины следует ожидать ослабления интен сивности объемного внутрипорового теплообмена между каркасом и тепло носителем.

На рис.2.14 показаны опытные зависимости числа Nu v от числа Ре.

Показатель числа Пекле Ре в уравнениях подобия, предлагаемых в литерату ре [11], изменяется в довольно широких пределах (n=0,65...1,84), однако в Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах большинстве случаев он принимает значения от 0,9 до 1,3. Проведенные ис следования в работах [53,63] показали, что при высоких значениях пористо сти с увеличением П значения объемного коэффициента теплоотдачи v уменьшаются в отличие от влияния П на v при меньших значениях порис тости, где с увеличением П величины v возрастают. Отмеченное влияние пористости для различных областей П показано на рис.2.15. Из рисунка вид но, что существует некоторый диапазон пористости П=0,55...0,75, которо му соответствует максимальная интенсивность внутренней теплоотдачи в пористых структурах. В этих же работах все опытные данные по внутренней теплоотдаче для структур пористостью более 0,8 были обобщены уравнением подобия:

Nu v = 0,606Pe 0,56 П 5, 2. (2.23) со среднеквадратичной по Nu = 0,12. Из грешностью (2.23) и рис.2.14 видно, что для высокопористых структур пока затель степени при числе Ре меньше, чем для структур ма лой и средней пористости, и со ставляет 0,56.

Ввиду низкой теплопро Рис.2.15. Зависимость внутрипорового водности металлического карка теплообмена от пористости: 1 – результа- са и ослабления роли внутрипо ты С.В.Белова для пластины единичной рового теплообмена в высоко толщины;

2 – результаты П.Гротенхьюза пористых структурах при оцен и др.;

3 – результаты В.М.Тимофеева;

4 – ке интенсивности теплообмена результаты А.М.Бойко, В.М.Ерошенко и часто возникает необходимость др.;

5 – результаты Ю.Ф.Гортышова для пользоваться не объемным, а эффективным поверхностным dп=1 мм коэффициентом теплоотдачи.

Этот коэффициент определяется по среднемассовой температуре потока, поскольку основной теплосъем про исходит со стенок канала.

В работах [14,33,40,84] определялась эффективная теплоотдача воды w = q /(Tw Tf ). Результаты измерений показали, что поверхностная тепло отдача в канале с пористой вставкой зависит от расхода воды – w ~ w2/3, а от перепада давления – w ~Р1/3. Причем в данном случае гидравлическое со противление и теплоотдачу измеряли одновременно при заданной тепловой нагрузке.

При исследовании процесса теплоотдачи возможно выделить два слу чая размещения пористого материала в канале [17,75,81,85–86]:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах • пористая среде устанавливается без идеального термического и меха нического контакта со стенками канала;

• устанавливается с идеальным контактом.

Течение теплоносителя в канале с пористыми вставками, имеющими идеальный контакт со стенками, сопровождается более высоким уровнем ин тенсивности теплообмена.

Обобщение результатов измерений выполняется по согласованной с решениями эмпирической модели:

Nu D = f [Re D, Prf, L / D, П, Fотн, к / 0,....]. (2.24) Коэффициент теплоотдачи на поверхности щелевых каналов дли ной l можно оценить по полуэмпирическим формулам соответственно для ламинарного и турбулентного режимов течения:

3 4,2 Re Pr d 1 / э Nu + l (Re 1000) Pr ) d 1 / Nu = 8 1 + э.

( ) 2/ Pr 1 1 + 12, В переходной области чисел Рейнольдса (справа и слева от Re=2300) применяется та из формул, которая дает более высокое значение Nu. Пер вую формулу можно использовать в диапазоне, где Рrdэ/l= =0,1104, вторую – в диапазонах Рr=0,6200, Re=2300106, dэ/l=01.

Число Нуссельта Nu на стабилизированном участке вдали от входа в канал при ламинарном течении зависит от отношения сторон h/, изменяясь в пределах от Nu = 3,61 при h/ =1 до Nu = 8,23 при h/ = или 0. Эту зависимость можно с погрешностью менее 4% аппроксимировать предло женным нами выражением h/ Nu = 8,23 18,5.

(h / + 1 ) Следует отметить, что с учетом шероховатости поверхностей микро каналов величины и Nu могут несколько измениться.

Исследования теплообмена в каналах со вставками из ПМ не имеющи ми идеального контакта со стенками проводились в работах [2,17,27,28,72,75,78, 81]. В работе [75] результаты экспериментов, прове денных в канале со щеточными структурами из нержавеющей стали, пока Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах зали, что интенсивность теплообмена увеличивается в данном случае в среднем в 5 раз по сравнению с пустым каналом (рис.2.16). Анализ ре зультатов показал также, что Nu D в этой работе пропорционален Re 0,65. Из D рис.2.16 также видно, что теплоотдача в каналах с сеточными структурами П=0,78...0,79, имеющими идеальный контакт со стенками канала, в 9 раз вы ше, чем для гладкого канала и что NuD~ ReD0,3.

а б Рис.2.16. Результаты [75] по теплоотдаче к однофазной жидкости в трубах с сетчатыми (а) и щеточными (б) вставками и в трубах без вставок В работе [81] приводятся данные по теплообмену в канале с сетчаты ми вставками =0,37...0,65, скрепленными без зазора со стенками канала.

Анализ этих данных показал, что при Rе103 теплоотдача в канале зависит от массового расхода, как NuD~ ReD0,5.

В работах [13,17] установлено, что в канале с пористым наполнителем, не имеющем совершенного контакта со стенками, значительное изменение относительной теплопроводности км / ж исходного материала пористого наполнителя от 5 до 12000 при одинаковой П не оказывает заметного влия ния на теплообмен. Однако и при этом интенсификация теплообмена на по рядок и более выше, чем для пустых гладких каналов. Установлено, что по ристые проницаемые наполнители, не имеющие совершенного контакта эле ментов между собой и с теплопередающими стенками канала, значительно интенсифицируют теплообмен в каналах, например, в 9,6 раза при П=71%, в 12,2 раза при П=59%, в 14,3 раза при П=46% и в 21 раз при П=37% в канале на удалении Х/D=1,2…1,9 от входа в металлорезину из стальной проволоки Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах при ReD =7·103. Интенсификация теплообмена локальная st=/Тл и осред ненная st = / Тл на контрольном от входа участке Х:

– зависит от пористости ПН, увеличиваясь пропорционально умень шению П степени 0,5;

от относительной протяженности участка ПН, умень шаясь пропорционально Х/D в степени 0,3;

от режима течения, уменьшаясь пропорционально ReD в степени 0,3;

– практически не отличается от зарегистрированной в канале с сетча тыми ПН, проволочные элементы которых имели совершенный контакт (пайку) между собой и со стенками канала;

– может быть определена зависимостями:

0, 0,5 Х st = 137 Re D0,3 П, D 0, 0,5 L 221 Re 0,3 st = П ;

D D – достигает величин, приведенных в табл.2.1, для осредненного по длине L теплообмена st при ReD = 104 в широком диапазоне изменения П и L/D.

Таблица 2. Величины теплообмена st при ReD=10 при разных значениях П и L/D Пористость, % L/D 30 50 70 1,50 22,5 17,3 14,7 12, 3,00 18,3 14,1 12,0 10, 5,00 15,7 12,1 10,3 9, 10,00 12,7 7,8 8,3 7, На рис.2.17 представлены результаты измерения локального теплооб мена [17] в моделях каналов с пористыми наполнителями в виде металлоре зиновых (проволочных) структур и шаровых засыпок с П=37... 96%. Измере ния во всем исследованном диапазоне Re D, Рr, П, км / ж, L / D, Fотн обоб щаются единой зависимостью:

Nu D = 4Pe 0,5 (П x / D) 0,5 (2.25) D и показывают, что теплообмен однофазного хладагента в канале с наполни телем, элементы которого не имеют совершенного контакта между собой и Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах со стенками, зависит от массовой скорости потока, относительного расстоя ния от входа и пористости.

Рис.2.17. Влияние на теплообмен пористости ПМ (а) и отношения X/D (б) [17]: а) 1 – гладкий канал, Х/D=1,2–1,9;

2 – стальная металло резина, П=94,3–96,1%, dп=0,09–0, мм;

3 – стальная металлорезина, П=84,0–85,3%, dп=0,09–0,3 мм;

4 – стальная и медная металлорези на, П=69,3–72,2%, dп=0,09–0,3 мм;

5 – стальная и медная металлорези на, П=59–59,1%, dп=0,09–0,2 мм;

6 – стальная и медная металлорези на, П=44–46,1, dп=0,09–0,2 мм;

7 – стальная и медная металлорезина, П=37,4, dп=0,2 мм;

0,8 0, А – Nu D = 0,023 Re D Pr ;

б) 1 – Х/D = 1,6–1,9;

2 – Х/D = 3,1–3,6;

3 – Х/D = 5,1–5, Экспериментальные данные по теплоотдаче при однофазной конвекции для вставок из ВПЯМ на основе фарфора, никеля, нихрома, молибдена, меди и инвара П=0,83...0,97 в работе [72] обобщены зависимостью (рис.2.18):

Nu D = 0,35 Re 0,65 Pr 0,4 (Pr/ Prw ) 0,14 П 5,6. (2.26) D Данная зависимость получена в диапазоне изменения определяющих параметров потока и пористой структуры: ReD=8·103…6·104;

=0,84…0,95;

dп/D = 0,03…0,16;

Pr=0,7…9;

к/0 = 350…14800;

L/D = 9…12.

В работе [87] для расчета аналитическим путем получена зависимость:

0,5 0, D Pe 0,5 э Nu D = (2.27).

D L В работе [23], также как и в [17], установлено, что к / ж не оказывает существенного влияния на теплообмен в канале с пористой вставкой, не имеющей совершенного контакта со стенками. Если ПМ, например сетка в пакете, контактирует с охлаждаемой стенкой чисто механически (без спека ния или пайки), то отвод тепла от стенки осуществляется в основном не кар касом (проволоками), а непосредственно жидкостью через пристенные поры.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Сетки из материала с низкой теплопроводностью в этом случае играют роль турбулизатора. Полное термическое сопротивление пористого слоя 1/эфф включает термическое сопротивление 1/ж заторможенного слоя жидкости в пристенных порах, термическое сопротивление h/3ж перемешиваемой жид кости и сопротивление l/(2срwфh) продольному переносу тепла конвекци ей. По порядку величины толщина заторможенного слоя составляет ж/w10–20 мкм, что значительно меньше размера пор.

Для случая совершенного контакта пористой структуры со стенками канала из аналитического решения [86] следует, что определяющую роль в интенсификации теплообмена играют соотношения теплопроводности по ристой структуры к и хладагента ж. В этом случае тепло передается внутрь пористого слоя теплопроводностью к и рассеивается по всему попе речному сечению канала внутрипоровым конвективным переносом v с увеличенной в Fотн раз поверхности теплообмена.

В работе [64] опытные данные по теплоотдаче в неупорядоченных по ристых структурах в виде набора сеток, войлока и спеченных структур на ос нове бронзы, дюралюминия и меди П=0,53...0,82 (рис.2.19), имеющими со вершенный контакт со стенками, были обобщены зависимостью:

Nu эфф = 0,71[Re H H /( / )]0,5 (Pr/ Prw ) 0,5 (H / H 0 )0, 25. (2.28) Данная зависимость опи сывает процесс теплоотдачи с точностью ±20%. Здесь Н – ис тинная высота канала, Н0 – ре альная (с учетом пористой вставки) высота канала, член H /( / ) учитывает влияние по ристости П. Поскольку эффек тивный коэффициент теплоот дачи «по определению» учиты Рис.2.19. Экспериментальные данные по вает отвод тепла теплоносите эффективной теплоотдаче в каналах со лем от участков развитой тепло вставками из спеченного зернистого ма- отдающей поверхности, распо териала (П=0,21–0,37) и ВПЯМ и войлока ложенной в глубине пористой (П=0,8) [64] структуры, следовало бы ожи дать присутствия в формуле (2.28) комплекса км / жм ( км – молекулярная теплопроводность материала пористой структуры, жм – теплопроводность теплоносителя). На базе по лученных результатов его выявить не удалось. Согласно аналитическим Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах оценкам МИФИ [43] w ~ 0,5, что следует из общей теории теплообмена ре км бер. В действительности с учетом неоднородного прогрева жидкости вблизи греющей (охлаждающей) поверхности и при удалении жидкости от нее влия ние км на w должно быть даже несколько ниже.

Рис.2.20. Зависимость эффективного коэффициента теплоотдачи для се точных пористых структур: I – экс периментальные данные для одно (3,5), двух- (4) и трехслойных (1,2) сеток;

II – данные для канала без по ристого слоя;

III – эксперименталь ные данные для неспеченных сеток [51];

I, II – эксперименты ИВТ РАН;

III – эксперименты МИФИ В работе [64] кроме этого указывается, что для вставок [67] не имею щих совершенного контакта со стенками в области малых значениях j = w теплоотдача оказалась существенно ниже наблюдавшейся в экспериментах [64], полученных на идеально скрепленных со стенками вставках (рис.2.20), тогда как при больших значениях j = w коэффициенты теплоотдачи прак тически совпадают. По всей вероятности это связано с тем, что при больших j основное воздействие сеточных структур состоит в турбулизации потока, тогда как при малых j, несмотря на большую пористость, влияние начинает оказывать развитие поверхности теплоотдачи и перенос тепла по сетке. По тому неидеальный контакт при малых j приводит к заметному отклонению w от наблюдаемых при условии идеального скрепления.

По результатам всех приведенных работ по оценке теплоотдачи на гра нице пористый слой – стенка можно сделать вывод, что этой проблеме по священо ограниченное количество работ и их результаты достаточно проти воречивы. Кроме того, все результаты в этих работах получены в небольших диапазонах изменения влияющих параметров и в основном на сетчатых по ристых вставках П=0,6...0,8. Однако и эти результаты позволяют заключить, что для пористых вставок, имеющих совершенный контакт со стенками ка налов, NuD~ReDn, где n=0,3... 0,5 [75,81,86,88], а для вставок, не имеющих та кого контакта, – NuD~ReDn, где n=0,5...0,65 [2,11,17,28,67,72,75,78].

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 2.3. Актуальность проведения исследований гидродинамики и теплообмена в каналах с высокопористыми материалами Создание конкретных ТА и ПТЭ требует разработки соответствующих методологий, методик и программ оптимизации, их сравнительного иссле дования, экспериментальна проверки их надежности. Расчет и оптимизация ТА и ПТЭ на основе ВПЯМ возможны лишь при детальном представлении о тепломассообмене и гидродинамики в пористых структурах, которые, кро ме надежных математических моделей и программного обеспечения, предпо лагают наличие надежных данных и методик расчета пограничных тепловых слоев, теплоотдачи и гидросопротивления в каналах с ВПЯМ.

Решение поставленного вопроса о создании достоверной методики расчета ТА на основе ВПЯМ требует проведения широкого круга исследо ваний по изучению теплогидравлических характеристик пористых структур, влияния на них различных геометрических и режимных параметров с целью разработки физико-математической модели течения и теплообмена. Тепло вой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов на основе пористых структур проводится с помощью уравнений сохранения массы, импульса сил и энергии с соответствующими начальными и граничными условиями.

Математическая модель в общей постановке достаточно сложна и не имеет точного аналитического решения. Потому вводятся различного рода допуще ния и эмпирические зависимости для коэффициентов переноса, входящих в уравнения и граничные условия. Таким образом, необходимы обширные экспериментальные исследования для получения информации о гидравли ческом сопротивлении, механизме и интенсивности теплопереноса при дви жении охладителя в пористых структурах для замыкания математической модели.

Исходя из этого анализ литературных источников проводился с точки зрения выявления современного состояния и проблем в решении следующих задач:

1. Разработка надежных математических моделей и теоретические ис следования задач гидродинамики и теплового состояния ПТЭ.

2. Результаты исследования гидравлического сопротивления и тепло отдачи в каналах с ПМ, теплового состояния ПМ и теплоносителя, текущего сквозь него.

3. Принципы, модели, конкретные удачные конструктивные решения и результаты оптимального проектирования ПТЭ и ТА на основе ПМ.

Анализ по первому направлению показал:

• теоретический анализ течения и теплообмена теплоносителя в кана ле, заполненном пористой средой, проводится, как правило, на основе ис пользования уравнений сохранения массы, импульса сил и энергии с соот ветствующими начальными и граничными условиями, с привлечением раз личных эмпирических и полуэмпирических зависимостей для коэффициен тов переноса. Однако существующие разработанные математические модели Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах по теплообмену и течению в пористых структурах относятся в основном к транспирационному пористому охлаждению;

• на сегодняшний день практически отсутствуют методики по прове дению оптимизации ПТЭ с целью уменьшения гидравлического сопротив ления при сохранении высокого уровня интенсификации теплообмена. Это является следствием отсутствия надежных моделей по теплообмену и тече нию теплоносителя в каналах с ПМ;

• разработки моделей и теоретические исследования в данном направ лении для условия установки ПМ в канале относятся в подавляющем боль шинстве к структурам малой и средней пористости. Особенности течения и теплообмена в высокопористых структурах практически не учитывались.

Специфические условия таких структур и особая технология их изготовления ставят весьма важную и сложную в теплофизическом отношении задачу раз работки их математической модели с учетом особенностей эксплуатации та ких систем.

Критический анализ по второму направлению показывает, что процес сы теплообмена и гидродинамики в пористых средах малой и средней про ницаемости изучены довольно глубоко, однако количество исследований, относящихся к структурам высокой пористости, весьма ограничены. На сего дняшний день получены следующие результаты по исследованию гидросо противления и теплоотдачи в каналах с ПМ:

• имеется большое количество работ с результатами исследований гид росопротивления в каналах с различными типами ПМ с пористостью от 0, до 0,98. Обобщение экспериментальных данных производилось с помощью вязкостного и инерционного коэффициентов гидросопротивления. Получен ные зависимости для данных коэффициентов позволяют рассчитывать гидро сопротивление в широком диапазоне изменения пористости и типов порис тых структур;

• в ряде работ получена универсальная взаимосвязь теплоотдачи и гид росопротивления в ПМ. Но эта зависимость пока очень слабая и получена для пористых сред с пористостью 0,14...0,80. Здесь требуется дальнейшее развитие и уточнение модели теплообмена, учет шероховатости поверхности пористого каркаса и выяснение зависимости некоторых эмпирических коэф фициентов от формы пор и коэффициентов тепло- и массообмена, дальней шие экспериментальные исследования при расширении диапазона изменения пористости;

• получены довольно точные зависимости для определения эффектив ных коэффициентов теплопроводности ПМ и теплоносителей, протекающих сквозь них, при исследованиях ПМ различных структур и пористости (П=0,1…0,98);

• в широких диапазонах изменения характеристик ПМ и режимных па раметров изучен внутрипоровой теплообмен в ПМ с пористостью от 0,1 до 0,98;

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах • в работах почти всех авторов делается разграничение данных по эф фективной теплоотдаче в каналах с ПМ, имеющих и не имеющих совершен ных термического и механического контактов со стенками;

• существует ограниченное количество работ, посвященных исследо ванию теплоотдачи на границ между пористым слоем и стенкой;

в основном они относятся к ПМ малой и средней пористости. Данные исследования для высокопористых структур имеются лишь в нескольких работах. Работы в данном направлении отличаются своей противоречивостью по влиянию на теплоотдачу различных параметров. В ряде исследований показано, что теп лопроводность материала каркаса ПМ влияет на теплоотдачу в степени 0,5, что удовлетворительно согласуется с теорией оребрения. Эти работы отно сятся к исследованиям ПМ с пористостью до 0,6. Однако существуют рабо ты, где такое влияние теплопроводности материала ставится под сомнение и утверждается, что с ростом пористости это влияние должно уменьшаться;

• в настоящее время существует весьма ограниченное количество ра бот, посвященных одновременному исследованию теплообмена и гидроди намики в каналах с ПМ, имеющих и не имеющих совершенного контакта со стенками каналов. Показано, что ПМ, имеющие совершенный контакт со стенками, более значительно интенсифицируют процесс теплоотдачи на гра нице пористый слой – стенка (в 3–100 раз), чем подобные же структуры, но не имеющие данного контакта. Это различие наиболее сильно проявляется при малых массовых скоростях и уменьшается с их ростом;

• несмотря на то что в патентной и научно-технической литературе имеется большое количество работ, посвященных использованию различных методов уменьшения гидросопротивления в каналах с ПМ, практически не имеется рекомендаций, методик и просто зависимостей для расчета теплоот дачи и гидросопротивления в указанных условиях, что значительно сдержи вает использование ПМ в традиционных отраслях промышленности, таких как энергомашиностроение, теплоэнергетика и нефтехимия. Здесь имеются лишь рекомендации, полученные в МГТУ, и результаты численных исследо ваний К.Вафаи;

• в целом необходимо отметить, что доказана высокая эффективность применения в ТА пористых структур в качестве интенсификаторов теплооб мена.

Анализ по третьему направлению показал:

• теоретический анализ течения теплоносителя в канале, заполненном пористой средой, проводится, как правило, на основе использования уравне ний сохранения массы, импульса сил и энергии с соответствующими началь ными и граничными условиями с привлечением различных эмпирических и полуэмпирических зависимостей для определения коэффициентов переноса;

• до сих пор не имеется общего мнения по пониманию характера рас пределения скоростей в канале с пористой вставкой;

• в настоящее время разработаны математические модели по теплооб мену и течению в пористых структурах.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Проведенный анализ работ по исследованию и разработке ПТЭ и ТА на основе ПМ показывает, что проблема создания высокоэффективных и ком пактных ТА может быть решена лишь при комплексном, расчетно теоретическом и экспериментальном исследовании с целью разработки мето дики выбора эффективной схемы пористых интенсификаторов теплообмена для систем охлаждения энергетических установок, характеризующихся мак симальной теплогидравлической эффективностью.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие ос новные задачи:

– установить механизмы переноса и исследование гидравлического сопро тивления и теплообмена в каналах с пористыми вставками различных кон фигураций, обеспечивающих минимальный уровень гидропотерь при сохра нении высокого уровня теплообмена;

– установить и математически описать влияние основных режимных и конструктивных параметров на гидравлическое сопротивление, режимы те чения и теплоотдачу;

– комплексно исследовать эффективные способы интенсификации тепло обмена с помощью пористых вставок различной структуры и геометрических конфигураций, характеризующихся максимальным значением теплогидрав лической эффективности.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛОВ С ПОРИСТЫМИ ВСТАВКАМИ 3.1. Экспериментальный стенд для исследования средней эффективной теплоотдачи и гидросопротивления каналов и теплообменных аппаратов с пористыми вставками при течении газообразного теплоносителя Для проведения исследований теплогидравлических характеристик те плообменных элементов на основе высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) был разработан и создан универсальный экспериментальный стенд, который состоит из системы подачи различных теплоносителей: воздуха среднего и высокого давления;

воды среднего давления;

системы измерений;

системы сменных рабочих участков.

При проведении исследований использовались различные рабочие уча стки, позволяющие реализовать различные граничные условия и исследовать гидродинамику и теплообмен в каналах с пористыми вставками при течении различных теплоносителей в широком диапазоне варьирования режимных параметров.

Основная часть исследований на данном стенде производилась при ис пользовании в качестве основного теплоносителя нагретого потока воздуха;

охлаждающего потока – воды (рис.3.1).

Система подачи сжатого основного нагретого теплоносителя (воздуха) к рабочему участку включает последовательно установленные: компрессор 1;

регулирующие вентили 2, 3 и 10, ресивер 4, фильтр влагоотделитель 5, рас ходную шайбу 6, электронагреватель 7. Регулирующие вентили 2 и 3 служат для установки и регулирования требуемого расхода воздуха через рабочий участок. Вентиль 3 служит для перепуска воздуха в окружающую среду и используется в первую очередь. Если требуемый расход не устанавливается при полном открытии вентиля 3, то для дальнейшего регулирования расхода применяется вентиль 2. В ресивере 4 происходит стабилизация потока и сгла живание пульсаций скоростей. Фильтр тонкой очистки 5 собран в виде паке та из десяти слоев металлической сетки и нескольких слоев технической ва ты. Из потока удаляются находящиеся в нем песчинки, капли масла и остатки влаги, которые могут в последующем засорить ячейки пористой структуры в рабочем участке. Измерение расхода производится с помощью расходомер Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ной диафрагмы 6. Электронагреватель 7 представляет трехсекционный оми ческий нагреватель с нагревательными элементами в каждой секции в виде спирали из нихромовой ленты. Мощность, подаваемая на нагревательные элементы в каждой секции, регулируется с помощью трех лабораторных ав тотрансформаторов. На выходе из рабочего участка устанавливается сопло, служащее для установки требуемой скорости потока в канале рабочего уча стка при заданном давлении.

Рис.3.1. Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических характеристик в каналах с вставками из ВПЯМ: 1 – компрессор;

2,3,10,15 – регулировочные вентили;

4 – ресивер;

5 – фильтр-влагомаслоотделитель;

6 – расходомерная диафрагма;

7 – трехсекционный проточный воздушный элек тронагреватель;

8 – рабочий участкок;

9 – сопло;

11 – фильтр;

12 – бак посто янного уровня;

13 – центробежный водяной насос;

14 – гаситель гидроуда ров;

16 – ротаметр;

17, 20 – манометры;

18, 21 – дифференциальные U образные манометры;

19, 22, 23 – хромель-копелевые термопары;

24 – мил ливольтметр;

25, 26 – образцовые спиртовые термометры В систему подачи охладителя (воды) в тракт охлаждения рабочего уча стка для исследования характеристик в каналах теплообменных трубок с вставками из ВПЯМ входят регулирующие вентили 10 и 15, фильтр 11, бак постоянного уровня 12, насос 13, гаситель гидроударов 14, расходомер 16.

Вентиль 10 позволяет воде из водопроводной сети поступать в систему подачи воды к рабочему участку 8. При открытом вентиле вода по трубопро воду через фильтр 11 поступает в бак постоянного уровня 12, который обес печивает постоянство напора воды на входе в насос 13 центробежного типа, а следовательно, постоянство расхода при возможном колебании давления в Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах водопроводной сети. На выходе из насоса устанавливался гаситель гидроуда ров 14 после насоса. Расход воды регулируется вентилем 15, а контролирует ся и измеряется с помощью расходомера поплавкового типа 16. После рас ходомера вода по трубопроводу поступает в тракт охлаждения рабочего уча стка.

Для экспериментального исследования процессов теплообмена и гид родинамики в каналах ТА с пористыми вставками был спроектирован и соз дан рабочий участок, схема и общий вид в сборе которого представлены на рис.3.2 и 3.3 соответственно.

Рис.3.2. Рабочий участок для исследования теплогидравлических характе ристик каналов с вставками из ВПЯМ: 1 – теплообменная трубка с пористой вставкой;

2, 12 – фланцы;

3, 13 – патрубок;

4, 11, 5, 14, 17 и 19 – передняя, задняя, верхняя, нижняя и боковые стенки;

6, 10 – штуцера;

7, 9 – накладки;

8 – перегородки;

15 – штуцера для отбора статического давления газа;

16 – координатные устройства;

18 – термометр Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рабочий участок представляет собой трубчатый рекуперативный те плообменник типа «газ-жидкость» с общим противотоком теплоносителей, в котором охладитель (вода) осущест вляет шестикратное перекрестное ох лаждение нагретого воздуха, фильт руемого по теплообменной трубке с пористой вставкой 1. Теплообменная Рис.3.3. Фотография рабочего уча- трубка размещена в плоском корпусе, стка с теплоизоляционным покры- образованном передней 4, задней 11, тием верхней 5, нижней 14 и боковыми 17 и 19 стенками. Трубка закреплена в корпусе с помощью фланцев 2 и 12.

Рабочий участок 1 выполнен из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. В полости между стенками корпуса и теплообменной трубкой устанавливались пять перегородок 7 и 9, в результате чего образуется охлаждающий тракт с шестикратным перекрестным током охлаждающей жидкости. Для увели чения скорости натекания на теплообменную трубку, выравнивания скорости по всей длине окружности поверхности трубки и имитации пучка труб в ох лаждающем тракте устанавливались накладки 7 и 20. Зазор между боковыми стенками 17 и 19 и теплообменной трубой составлял 3 мм. Охлаждающая жидкость в охлаждающий тракт поступала через штуцер 10 и отводилась че рез штуцер 6. На входе и выходе из рабочего участка устанавливались тер мометры для замера температуры воды;

сжатый воздух в теплообменную трубку поступал через патрубок 3. Для измерения температуры газа на входе в теплообменную трубку и на выходе из нее во фланцах 2 и 12 монтирова лись координатные устройства 18 с хромель-копелевыми термопарами, что позволяло измерять температуру в произвольной точке поперечного сечения в радиальном направлении. Во фланцах 2 и 12 также монтировались штуцера 15 для отбора статического давления газа.

На указанном рабочем участке устанавливались и исследовались мед ные теплообменные трубки длиной 305 мм, с внешним диаметром 28 мм и внутренним 25,6 мм.

При выполнении экспериментальных исследований проводились изме рения следующих параметров: температуры и давления воздуха перед рас ходной шайбой, перепад давления на расходной шайбе, температура воздуха до и после рабочего участка, давление воздуха до рабочего участка и перепад давления на них, температура воды до и после рабочего участка, расход во ды.

Отличительной особенностью методики обработки данных является то, что данные по гидравлическому сопротивлению обрабатывались с помощью вязкостного и инерционного коэффициентов согласно методике Ю.В.Ильина [1].


Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Средний эффективный коэффициент теплоотдачи в канале охлаждае мого газа, протекающего сквозь пористую вставку, определялся косвенным образом через коэффициент теплопередачи и средний коэффициент теплоот дачи со стороны охладителя:

1 =, 1 D 1 D2 In k.D 2. W D где W – коэффициент теплопроводности материала стенки теплообменной трубки;

D1, D 2 – наружный и внутренний диаметры теплообменной трубки, соответственно;

k – коэффициент теплопередачи, k = Q1 / TL ;

Q1 – тепловой поток отводимый от воздушного потока при его прохождении через канал с пористой вставкой, Q1 = c p1 G1 (T11 T12 ) ;

L –длина пористой вставки, 2 = Nu 2 / D1 = 0,41 Re 2 0,6 Pr2 0,35 – средний коэффициент теплоотдачи со стороны охладителя определялся по зависимости для случая поперечного об текания пучка труб с шахматным расположением;

T = (T11 T22 ) (T12 T21 ) / ln[(T11 T22 ) /(T12 T21 )] – среднелогарифмиче ский температурный напор на рабочем участке.

Относительная погрешность определения коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха 1 не превышала значений 6–10%.

На данном экспериментальном стенде также проводились исследова ния теплогидравлических характеристик ТА типа «газ-жидкость» (описание в главе 8).

Рассмотрим теперь ветвь универсального стенда для исследования ТА типа «газ-газ» (рис.3.4).

Система подачи основного нагретого теплоносителя – воздуха – к ТА такая же, что и для исследования ТА типа «газ-жидкость», и включает после довательно установленные компрессор 1, регулирующие вентили 2, 3 и 10, ресивера 4, фильтр-влагомаслоотделитель 5, расходную шайбу 6, электрона греватель 7.

В систему подачи охладителя (воздуха) в тракт охлаждения ТА типа «газ-газ» входят: компрессор 10, регулирующие вентили 11 и 12, ресивер 13, фильтр 14 и расходная шайба 15.

В ходе проведения экспериментов компрессор малого давления ро торного типа 10 обеспечивал подачу воздуха в коммуникации стенда расхо дом (70...100)·10-3 кг/с и давление сжатия до 1,3·105 Па. Регулирующие вен тили 11 и 12 служили для установки и регулирования требуемого расхода воздуха через ТА. Вентиль 12 служил для перепуска воздуха в окружающую среду и использовался в первую очередь. Если требуемый расход не уста навливался при полном открытии вентиля 12, то для дальнейшего регулиро вания расхода применялся вентиль 11. Далее воздух поступал в ресивер 13, Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах где происходила стабилизация потока и сглаживание поля скоростей. После ресивера поток воздуха попадал в фильтр тонкой очистки 14, собранный в виде пакета из нескольких слоев металлической сетки и нескольких слоев технической ваты. Далее поток проходил через расходомерную диафрагму 15, где производилось измерение его расхода. После расходомера воздух по трубопроводу поступал в тракт охлаждения ТА.

Рис.3.4. Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических характеристик ТА с вставками из ВПЯМ: 1, 10 – компрессор;

2, 3, 11, 12 – ре гулировочные вентили;

4, 13 – ресивер;

5, 14 – фильтр влагомаслоотделитель;

6, 15 – расходомерная диафрагма;

7 – трехсекцион ный проточный воздушный электронагреватель;

8 – ТА;

16, 19, 23, 26 – ма нометры;

17, 20, 24, 27 – дифференциальные U-образные манометры, 18, 21, 22, 25, 28, 29 – хромель-копелевые термопары;

30 – милливольтметр Система измерений данного стенда включала в себя термопары для из мерения температуры воздуха в тракте основного теплоносителя перед рас ходной шайбой 18, перед теплообменным аппаратом 21 и после него 22;

тер мопары для измерения температуры воздуха в тракте охладителя перед рас ходной шайбой 25, перед теплообменником 28 и после него 29;

показания всех термопар выводились на универсальный вольтметр 30;

образцовые ма нометры для измерения давления в тракте основного теплоносителя перед расходной шайбой 16 и перед теплообменником 19 и в тракте охладителя также перед расходной шайбой 23 и перед теплообменником 26;

дифферен циальные U-образные жидкостные манометры для измерения перепадов дав ления на расходных шайбах и теплообменниках в трактах основного тепло носителя 17 и 20 и охладителя 23 и 24 соответственно.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 3.2. Методическое обеспечение исследований структуры потока в каналах с пористыми вставками Для исследования структуры потока в каналах со вставками на основе высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) разработана и создана экспе риментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис.3.5.

Установка состоит из системы подачи сжатого воздуха к рабочему уча стку, непосредственно рабочего участка и системы измерений.

Основными элементами системы подачи сжатого воздуха являются:

воздухозаборник 1, компрессор среднего давления 2, вентили 3 и 4, бак из быточного давления 5, фильтр-влагоотделитель 6. Общий вид установки представлен на рис.3.5.

Рабочий участок представляет собой канал прямоугольного сечения 1819 мм (рис.3.6 и 3.7) общей длиной 300 мм. На длине 100 мм стенки кана ла выполнены из органического стекла для визуализации потока при вдуве в него дыма, а также для определения и контроля взаиморасположения порис тых вставок и датчика термоанемометра.

Рис.3.5. Принципиальная схема установки для исследований структуры по тока в каналах с пористыми вставками: 1 – воздухозаборник;

2 – компрессор среднего давления;

3, 4, 7, 8 – вентили;

5 – ресивер;

6 – фильтр влагоотделитель;

9, 13 – образцовые манометры;

10, 11 – ротаметры;

12 – ра бочий участок;

14 – дифференциальный U-образный манометр;

15 – датчик термонемометра;

16 – термоанемометр;

17 – вольтметр постоянного тока;

18 – вольтметр переменного тока;

19 – осциллограф Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Расход сжатого воздуха измеряется ротаметрами 10 и 11, при этом дав ление перед ротаметрами измеряется образцовым манометром 9. Расход ре гулировался как вентилями перепуска 3 и 4, так и более точно и глубоко вен тилями 7 и 8. Использование двух ротаметров позволяло охватить бльший диапазон расходов.

В ходе эксперимента измеряется давление перед рабочим участком образцовым манометром 13;

перепад давления на рабочем участке жидкост ным U-образным дифференциальным манометром 14.

Рис.3.6. Схема рабочего участка для исследований структуры потока в кана лах с пористыми вставками Рис.3.7. Фотографии рабочего участка для исследований структуры потока в каналах с пористыми вставками Система измерений гидродинамических характеристик включает в себя однониточный датчик термоанемометра 15, установленный на координатном Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах устройстве;

термоанемометр 16 постоянной температуры марки Z1 с подсое диненными к нему параллельно вольтметра переменного тока 17;

милли вольтметра постоянного тока 18;

осциллографа 19.

Исходными данными для обработки являются результаты прямых из мерений: показания ротаметров, температура потока воздуха в канале, давле ние воздуха на входе в рабочий участок на входе в рабочий участок, перепад давления на рабочем участке, показания датчика термоанемометра на вольт метре постоянного тока и среднеквадратичном вольтметре (пульсации скоро сти) в определенных сечениях Y (мм), геометрические параметры канала и образцов из ВПЯМ.

По полученным данным может производиться анализ зависимости рас пределения скорости w(x,y) от параметров потока и пористого образца (П, dп, Hп высота пористого образца, L длина пористого образца, расстоя ние от пор исследуемого образца до сечения в котором проводятся измере ния), степени турбулентности потока Tu = w 2 / w от параметров потока и пористого образца ( w осредненная скорость;

w 2 среднеквадратичные пульсации скорости).

Для исследования равномерности проницаемости и вязкостного и инерционного коэффициентов пористых материалов использовалась экспе риментальная установка, схема которой показана на рис.3.8.

Пористый образец 1 диаметром 40 мм и длиной до 20 мм закреплялся на рабочем участке через уплотнительное кольцо 2 и резиновую прокладку с помощью резьбового стакана 4 в сопле 5 с профилем Витошинского. Перед соплом устанавливался ресивер 6. Расход теплоносителя через рабочий уча сток контролировался сдвоенной диафрагмой 7 или ротаметрами 8 в зависи мости от расхода теплоносителя. Регулирование расхода теплоносителя осуществляется вентилями 9,11,15,16. Подача теплоносителя (воздуха) осу ществляется компрессором 17 через фильтр тонкой очистки 10, раздаточный коллектор 12, фильтр тонкой очистки 13 и осушитель (фильтр влагоотделитель) 13.

Использование рабочего участка с ресивером и соплом, выполненного по профилю Витошинского, позволяло иметь на выходе профиль скорости, близкий к прямоугольному, что показано на рис.3.9. В этой связи данная ус тановка использовалась для тарировки датчиков термоанемометра и позволя ла исследовать характеристики пористых сред. Для этого на выходе из сопла устанавливалось координатное устройство на поворотном диске со сменны ми датчиками термоанемометра и трубкой Пито. Перепад давления опреде лялся с помощью образцового манометра, измеряющего статическое давле ние до пористого образца, и барометра, измеряющего давление после порис того образца при истечении воздуха в окружающую среду.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.3.8. Схема экспериментальной установки по исследованию равномерно сти проницаемости и вязкостного и инерционного коэффициентов сопротив ления пористых материалов: 1 – пористый образец;


2 – уплотнительное кольцо;

3 – резиновая прокладка;

4 – резьбовой стакан;

5 – сопло;

6 – реси вер;

7 – сдвоенная диафрагма;

8 – ротаметры;

9,11,15,16 – вентили;

10 – фильтр тонкой очистки;

12 – раздаточный коллектор;

13 – фильтр;

14 – осушитель;

17 - компрессор Рис.3.9. Поле скоростей на срезе Рис.3.10. Отклонение от средней ско экспериментального сопла, выпол- рости фильтрации для двух пористых ненного по профилю Витошинского образцов: 1 – образец из ВПЯМ, медь, толщина образца 17,5 мм, П=0,972, dп=0,7 мм;

2 – образец из ВПЯМ, ин вар, толщина образца 9,9 мм, П=0,874, dп=0,93мм По измеренным перепаду давления, скорости течения теплоносителя и размерам пористого образца по известной зависимости Дарси определялись коэффициент проницаемости К=1/, вязкостный и инерционный коэф Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах фициенты сопротивления пористых материалов. Определение равномерности проницаемости выполнялось с помощью трубки Пито или термоанемометра.

Пример отклонения локальной скорости потока за пористыми образцами от средней скорости фильтрации показан на рис.3.10.

3.3. Экспериментальный стенд для исследования средней эффективной теплоотдачи и гидросопротивления каналов и теплообменных аппаратов с пористыми вставками при течении жидкого теплоносителя Для исследования теплогидравлических характеристик канала со вставками из пористого материала был разработан и создан стенд, принципи альная схема которого представлена на рис. 3.11 и 3.12. Стенд состоит из сис темы подачи охладителя к рабочему участку, системы сбора охладителя, ра бочего участка 19, системы электрического нагрева теплоотдающей поверх ности и измерительной системы.

Основными элементами системы подачи охладителя являются газобал лонная батарея 1, редуктор 2, расходный бак 3 с манометром 13, фильтр тон кой очистки 16, регулирующий 17 и сливной 18 вентили. В процессе экспе римента в расходном баке поддерживается избыточное давление равное двум атмосферам, что позволяет менять расход охладителя от 0,5 до.100 г/с. Рас ход воды регулируется вентилем 17.

Система сбора охладителя состоит из сборного бака 6, фильтра 5 и вен тиля 4. После прохождения фильтра тонкой очистки 16 и рабочего участка охладитель собирается в баке 6.

Общий вид рабочего участка представлен на рис.3.13. Его основными деталями являются корпус 1, выполненный из нержавеющей стали с прива ренными к нему патрубками 2, 3 для подвода и отвода рабочего тела. К кор пусу с двух сторон присоединяются боковые крышки 4, которые зажимают между собой и корпусом прозрачные стенки из органического стекла 6.

Сверху участок закрывается крышкой из асбестоцемента 7. Эти детали фор мируют канал квадратного сечения 88 мм. Длина канала равна 0,15 м, что необходимо для обеспечения равномерного поля скоростей перед испыты ваемым образцом. В крышку 7 вмонтирован нагреватель 9. Нагреватель представляет собой тепловой клин, выполненный из медного цилиндра диа метром 50 мм с размерами поверхности, выходящей в канал, 820 мм.

Нагрев теплового клина осуществляется спиралью из нихромовой про волоки 10 диаметром 0,4 мм, к которой подводится ток через регулируемый трансформатор напряжения. Нагреватель обеспечивает плотность теплового потока до 1000 кВт/м2. Для определения температуры поверхности нагрева теля вдоль боковых стенок теплового клина зачеканены по две хромель копелевые (ХК) термопары на расстоянии два и семь миллиметров от тепло отдающей поверхности. Подведены термопары по специально выфрезеро ванным каналам глубиной 1,5 мм. В корпусе рабочего участка установлены Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах два штуцера 5 в начале и конце прямоугольного участка канала для отбора статического давления.

Рис.3.11. Экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических характеристик каналов со вставками из пористых материалов: 1 – батарея баллонов высокого давления;

2 – редуктор;

3 – расходный бак с наддувом;

4 – вентиль;

5, 16 – фильтр;

6 – бак сбора теплоносителя;

7 – трансформатор;

8 – вольтметр;

9 – тепловой клин;

10 – спираль электронагревателя;

11– диф манометр;

12 – амперметр;

13 – манометр;

14 – ротаметр;

15 – рабочий уч сток;

17 – регулировочный вентиль;

18, 20 – сливной вентиль;

19 – рабочий участок;

21 – хромель-копелевые термопары;

22 – переключатель входов;

23 – милливольтметр На корпусе в сечениях до и после пористого образца установ лены координатные устройства с ХК-термопарами для измерения температуры теплоносителя. На некотором расстоянии от пористой вставки выполнена камера смеше ния 11 из пяти перегородок. ХК термопары также применялись для измерения температуры поверхно Рис.3.12. Экспериментальный стенд сти теплоотдающей стенки.

для исследования теплогидравличе В процессе эксперимента ских характеристик каналов со встав проводились следующие измере ками из пористых материалов ния: расход охладителя, его сред Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах няя температура на входе и выходе из пористой вставки, температура по верхности нагрева, температура пористого образца и охладителя по высоте канала, перепад давления на рабочем участке, а также сила тока и падение напряжения на нагревателе.

Рис.3.13. Схема рабочего участка для исследований гидросопротивления и средней эффективной теплоотдачи структуры потока в каналах с пористыми вставками: 1 – корпус;

2, 3 – патрубки;

4 – боковые крышки;

5 – штуцера для отбора статического давления;

6 – прозрачные стенки из органического стек ла;

7 – асбестоцементная крышка;

8 – координатное устройство с хромель копелевой термопарой;

9 – нагреватель;

10 – спираль из нихромовой прово локи;

11 – камера смешения Средняя температура теплоот дающей поверхности теплового клина вычисляется градиентным методом по измеренным ХК-термопарами темпера турам боковых поверхностей теплового клина. При установке пористых вставок в канал с идеальным контактом к по ристому образцу припаивалась медная фольга толщиной 0,1 мм. В этом случае температура теплоотдающей поверхно сти измерялась четырьмя ХК Рис.3.14. Экспериментальная ус термопарами, запаянными на поверхно тановка и рабочий участок по сти фольги. Пористый образец с фоль исследованию теплообмена в по гой и термопарами приклеивался к на ристых образцах при фильтрации гревательной поверхности теплового сквозь них воды Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах клина. Использование фольги было необходимо, так как припаять пористый образец к тепловому клину практически невозможно из-за большой тепло проводности материала.

Для исследования теплогидравлических характеристик канала со встав ками из пористого материала при кипении теплоносителя использовался тот же стенд (рис.3.14 и 3.15), но с модернизированным расходным баком и с на бором сменных участков, в которых реализовался иной способ нагрева стен ки. Стенд состоит из системы подачи охладителя к рабочему участку, систе мы сбора охладителя, рабочих участков, системы электрического нагрева те плоотдающей поверхности и измерительной системы.

Рис.3.15. Схема экспериментальной установки по исследованию гидродина мики и теплообмена в пористых образцах при фильтрации сквозь них воды:

1 – приемно-сливной резервуар;

2 – резервуар-накопитель;

3,4 – рабочие уча стки;

5,9 – фильтры тонкой очистки;

6,16 – вентили;

7 – ротаметр;

8 – мано метр;

10 – батарея баллонов высокого давления;

11 – редукторы;

12 – ампер метр;

13 – вольтметр;

14 – реостат;

15 – нагревательный элемент Основными элементами системы подачи охладителя здесь также явля ются газобаллонная батарея 10, редукторы 11, приемно-сливной резервуар (расходный бак) 1 с манометром, фильтр тонкой очистки 5, регулирующий Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах вентиль 6. В процессе эксперимента в расходном баке поддерживается избы точное давление, что позволяет менять расход охладителя от 0,5 до 100 г/с.

Расход воды регулируется вентилем 6.

Система сбора охладителя состоит из резервуара-накопителя (сборного бака) 2, фильтра 9 и системы вентилей, обеспечивающих сбор теплоносителя в баке 2 и перелив его после окончания работы в бак 1. По сравнению с пре дыдущим вариантом с рабочим участком, где использовался косвенный на грев стенки с помощью теплового клина, здесь использовался прямой элек трический нагрев стенки. Во избежание негативных последствий в качестве теплоносителя на данном стенде используется дистиллированная вода. По этому для удешевления экспериментов производится ее сбор.

На данном стенде возможно проведение экспериментов по исследова нию теплоотдачи при вскипании теплоносителя при его прохождении через пористых слой. Для уменьшения мощности электронагревателя на рабочем участке при исследовании вскипания теплоносителя предусмотрен предвари тельный нагрев теплоносителя в расходном баке. Для этого предусмотрена система нагрева теплоносителя в баке с помощью двух независимо подклю ченных тэнов с индивидуальными системами электропитания и регулирова ния мощности.

Экспериментальный стенд может оснащаться двумя типами рабочих участков – участка 3 с прямым нагревом стенки канала с пористым образцом для исследования теплообмена и течения жидкого однофазного и вскипаю щего теплоносителя и участка 4 – с имитацией вскипания жидкости путем вдува в пристенный слой жидкости, движущейся в пористом слое, порций воздуха из газобаллонной системы 10.

Схема и общий вид рабочего участка с прямым нагревом стенки канала представлен на рис.3.16. Его основными деталями являются корпус 1, вы полненный из нержавеющей стали с приваренными к нему патрубками 7 для подвода и отвода рабочего тела. К корпусу с двух сторон присоединяются боковые крышки 3 и 4. Крышка 4 зажимает между собой и корпусом про зрачную стенку из кварцевого стекла 6. Сверху участок закрывается крыш кой из асбестоцемента 5. Эти детали формируют канал квадратного сечения 1010 мм. Длина канала равна 0,11 м, что необходимо для обеспечения рав номерного поля скоростей перед испытываемым образцом. В крышке 5 име ются сверления для установки нагревательного элемента в виде двух шпилек 10 и припаянными к ним с одной стороны полоски из нихрома толщиной 0,2 мм и размером 1030 мм. При установке на рабочем участке нагреватель ный элемент фиксируется гайками. Герметичность создается паронитовыми и металлическими прижимными шайбами.

К нагревательному элементу 15 (рис.3.15) подключен регулируемый трансформатор напряжения 14 и система измерения мощности нагрева (теп ловой поток в теплоноситель), включающая амперметр, подключенный через трансформатор тока, и вольтметр. Система нагрева обеспечивает плотность теплового потока до 20 МВт/м2.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Для определения температуры поверхности нагрева по длине нихромо вой ленты припаяны три хромель-копелевые термопары.

В корпусе рабочего участка установлено два штуцера 8 (рис.3.16) в на чале и конце прямоугольного участка канала для отбора статического давле ния. На входе и выходе из рабочего участка просверлены два отборных от верстия и установлены штуцеры 9 для измерения перепада давления непо средственно на пористом образце (без учета входных/выходных потерь дав ления на пористом образце).

Рис.3.16. Рабочий участок по исследованию теплообмена в пористых образ цах при фильтрации сквозь них воды Также в корпусе сделаны два отверстия с диаметром 2 мм на входе и выходе из канала для установки координатников 12 с ХК-термопарой для из мерения температуры охладителя на входе и выходе из пористого образца.

Наличие на рабочем участке боковых стенок из кварцевого стекла по зволяло проводить интерферометрические и рентгеновские исследования Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах картины течения в пористой матрице, особенно при исследовании кипения в пороматериале. Схемы интерферометра и интерферометрического стенда по казаны на рис.3.17 и 3.18.

Вид сверху Рис.3.17. Схема интерферометрического стенда: 1 – лазер ЛГ–38;

2 – опорная плита;

3 – амортизаторы;

4 – подвеска лазера;

5 – стол;

6, 7 и 10 – зеркала;

8 – фотоаппарат;

9 – интерферометр;

11 – объектив;

12 – блок нагрева;

13 – ис точник накачки Рис.3.18. Оптическая схема лазерного интер ферометра: 1 – полупро зрачное зеркало;

2,3,4, 13,14,15,16,18,19 и 20 – зеркала;

5 и 17 – отрица тельная линза;

6 – диа гональное зеркало;

7 – объектив;

8 – исследуе мый элемент;

9 – свето делительный кубик;

10 – объектив;

11 – фотопла стина 3.4. Экспериментальный стенд для исследования внутрипорового теплообмена и гидросопротивления пористых вставок Для исследования внутрипорового теплообмена использовался модер низированный стенд (рис.3.19), ранее описанный для исследования тепло гидравлических характеристик каналов с пористыми вставками при течении жидкости.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.3.19. Схема экспериментальной установки по исследованию внутрипоро вого теплообмена в пористых образцах при фильтрации сквозь них воды:

1 – трансформатор;

2 – теплоизоляционная проставка№ 3 – исследуемый об разец;

4 – токоподводы;

5 – обкладки;

6,7,9,12,13,15,17,19 – вентили;

8 – фильтр;

10 – ротаметр;

11 – фильтр тонкой очистки;

14 – баллоны со сжатым воздухом;

16 – расходный бак;

18 –сборный бак Стенд состоит из системы подачи охладителя к рабочему участку, сис темы сбора охладителя рабочих участков, системы электрического нагрева пористого образца и измерительной системы.

Основными элементами системы подачи охладителя здесь также явля ются газобаллонная батарея 14 с вентилями 15, редуктор 17, приемно сливной резервуар (расходный бак) 16 с манометром и вентилем стравлива ния давления 9, фильтр тонкой очистки 11. В процессе эксперимента в рас ходном баке поддерживается избыточное давление, что позволяет менять расход охладителя от 0,5 до 100 г/с. Расход воды регулировался вентилем 12, контролировался и измерялся ротаметром 10. Слив воды из расходного бака осуществлялся через вентиль 13. Жидкость в расходном баке могла подогре ваться до заданной температуры за счет двух тэнов.

Система сбора охладителя состоит из резервуара-накопителя (сборного бака) 18, фильтра 8 и системы вентилей 6,7,19, обеспечивающих сбор тепло носителя в баке 2 и перелив его после окончания работы в бак 16. На данном стенде в качестве теплоносителя использовалась дистиллированная вода.

Рабочий участок представляет собой пористый образец 3, плотно зажа тый с помощью системы шпилек между двумя токоподводами. Токоподводы Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах представляют собой две трубы с приваренными с одной стороны плоскими перфорированными пластинами, между которыми и зажимается пористый образец. Токоподводы тепло- и электроизолированы обкладками 5. Сам по ристый образец находится в текстолитовой трубке-проставке 2.

В ходе экспериментов на трубки-токоподводы подается электрический ток, который проходит через пористый образец. Пористый образец нагрева ется. Его охлаждение осуществляется путем фильтрации через него охлади теля, причем тепловыделение и теплосъем осуществляется по всему объему пористого образца.

В ходе эксперимента определяется средняя температура теплоносителя с помощью гребенки хромель-копелевых термопар, установленных на што ках в одном из сечений пористого образца и на входе и выходе из пористого образца. Средняя температура каркаса пористого материала измерялась с ис пользованием системы термопар, установленных пайкой или сваркой на по верхности каркаса пористого образца. Мощность тепловыделения в порома териале измерялась с помощью амперметра и вольтметра системы электрона грева. Расход охлаждающей воды фиксировался с помощью ротаметра.

Коэффициент внутрипорового теплообмена определялся следующим образом:

Q v =, V(t к t ж ) где Q – тепловой поток от пористого образца в охладитель при внутрипоро вом теплообмене, определяемый через параметры электрического тока Q = IU Q пот (I – сила тока, U – напряжение, Qпот – потери тепла через изо ляцию, определяемые в ходе тестовых опытов) или через расход и средние температуры теплоносителя на входе и выходе из пористого образца Q = c p G ( t t ) ;

V – объем пористого образца;

tк –температура каркаса;

tж – в в температура воды в порах.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ С ВСТАВКАМИ ИЗ ВЫСОКОПОРИСТОГО ПРОНИЦАЕМОГО ЯЧЕИСТОГО МАТЕРИАЛА 4.1. Математическое описание влияния основных режимных параметров и геометрических размеров канала и интенсификаторов на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с высокопористыми ячеистыми материалами 4.1.1. Тепловое состояние элементов с пористым охлаждением Рассмотрим механизмы переноса в высокопористых структурах при некоторых допущениях.

Представим элемент с пористым охлаждением как трехслойную кон струкцию, включающую тепловоспринимаемый слой, пористый слой и осно ву (рис.4.1). Твердый каркас пористого слоя имеет хорошие тепловой и механический контакты с ограничивающими его непроницаемой тепловос принимаемой стенкой (y=0) и основой (y=h). Охлаждающая жидкость дви жется вдоль тепловоспринимаемой стенки, т.е. направления падающего те плового потока и скорости движения в охлаждающем пористом слое взаим но перпендикулярны. Для анализа температурных состояний скелета порис того материала и текущего сквозь него охладителя, пористую среду будем рассматривать как гомогенную смесь двух сплошных сред - твердого каркаса и движущейся жидкости, которые обмениваются теплом и характеризуются собственными постоянными значениями теплофизических свойств: тепло проводностью ж и к, теплоемкостью срж и ск и т.д. Будем считать также, что рассматриваемое течение жидкости невозмущенное и установившееся;

задана скорость невозмущенного движения охладителя w0, а не продольный градиент давления;

осевая теплопроводность каркаса пористого слоя принеб режимо мала.

При рассмотрении процессов теплообмена в каналах с пористыми вставками следует выделить два случая: пористая вставка либо имеет совер шенный (идеальный) контакт со стенками канала (рис.4.1а), либо не имеет такого контакта (рис.4.1б).

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах а б Рис.4.1. Модель процесса теплообмена в каналах с пористыми вставками: а – пористая вставка имеет совершенный (идеальный) контакт со стенками ка нала;

б – не имеет такого контакта Первый тип контакта, реализуемый при формировании вставки непо средственно в канале, характеризуется тем, что сток тепла с тепловосприни маемой стенки осуществляется по элементам каркаса ВПЯМ в местах кон такта и непостредственно с поверхности стенки к жидкости в пристенных порах. Тепло от элементов каркаса переносится жидкостью за счет интенсив ного внутрипорового теплообмена, а тепло в потоке жидкости в поперечном направлении передается за счет эффективной теплопроводности, обуслов ленной интенсивным перемешиванием потока в сообщающихся порах.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 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.