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 5 ] --

Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 50 - 18,44, - 31, - 31,55 - 15,73 - 6, 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм 8, Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с 7,5 Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм Пористость 0,97, диаметр пор 3,5 мм 7,0 канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм 10 толщина пористого образца 20 мм толщина пористого образца 20 мм 6, скорость - 6,62,27 м/с, - 2, скорость (м/с): 6, 9 - 18,44, - 31, - 31,55 - 15,73 - 6, 5, 5, 7 4, 4, 3, 5 3, 2, 2, 1, 2 1, 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм 8, Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Пористость 0,97, диаметр пор 3,5 мм 7,5 Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм 45 7,0 канал 18х19 мм, расстояние - 3 мм толщина пористого образца 20 мм толщина пористого образца 20 мм 6, скорость (м/с):

40 скорость - 6,62,27 м/с, - 2, Степень турбулентности, % 6, - 31,55 - 15,73 - 6,42 - 18,44, - 31, 5, 5, 4, 4, 3, 3, 20 2, 2, 1, 1, 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм Рис.6.66. Картина течения за порис- Рис.6.67. Картина течения за порис той вставкой П=0,97 и dп=3,5 мм при той вставкой П=0,916 и dп=1,67 мм различных скоростях потока при различных скоростях потока Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм канал 18х19 мм, скорость - 4,0 м/с, канал 18х19 мм, скорость - 31,5 м/с, 70 толщина пористого образца 20 мм толщина пористого образца 20 мм расстояние (мм): -3 - Осредненная скорость, м/с расстояние (мм): -3 - Осредненная скорость, м/с - 56 - 60 - 42 - 101 - гладкий канал - гладкий канал 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм 10 Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм канал 18х19 мм, скорость - 31,5 м/с, канал 18х19 мм, скорость - 4,0 м/с, толщина пористого образца 20 мм толщина пористого образца 20 мм расстояние (мм): -3 - расстояние (мм): -3 - - 42 - - 56 - - гладкий канал - гладкий канал 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм 40 Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм Пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм канал 18х19 мм, скорость - 31,5 м/с, канал 18х19 мм, скорость - 4,0 м/с, толщина пористого образца 20 мм толщина пористого образца 20 мм расстояние (мм): -3 - 21 расстояние (мм): -3 - Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 30 - 42 - 101 - 56 - - гладкий канал - гладкий канал 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Координата, мм Координата, мм Рис.

6.68. Картина течения за порис- Рис.6.69. Картина течения за порис той вставкой П=0,916 и dп=1,67 мм той вставкой П=0,916 и dп=1,67 мм при скорости потока 31,5 м/с при скорости потока 4,0 м/с Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм пористость 0,925, диаметр пор 2,7 мм гладкий канал 22 гладкий канал Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 14 0 20 40 60 80 0 20 40 60 Расстояние, мм Расстояние, мм w = 25 м/с w = 4,52 м|c 24 пористость 0,916, диаметр пор 1,67 мм пористость 0,991, диаметр пор 0,81 мм гладкий канал 22 гладкий канал Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 14 6 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 Расстояние, мм Расстояние, мм w= 4 м/c w = 31,5 м/с Рис.6.70. Картина затухания турбулентности за пористыми вставками при различных скоростях потока w На рис.6.72 представлены экспериментальные данные по затуханию турбулентности за пористым турбулизатором.

Из общего количества экспериментов были выделены данные, характе ризующиеся одинаковыми значениями пористости и диаметра пор вставок.

Они были сгруппированы на отдельных графиках, представленных на рис.6.73.

Как указывалось выше и показано на рис.6.73, высота канала и ско рость течения теплоносителя в исследованном диапазоне их изменения прак тически не влияют ни на степень турбулентности, ни закон затухания. По этому в обобщающую зависимость эти параметры решено не вводить.

Для обработки данных на этом этапе принято решение использовать модель зависимости степени турбулентности в зоне затухания от расстояния за пористой вставкой в виде:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Tu = А+В.ln(x).

В данной зависимости координата х нормирована к 1 мм.

Степень турбулентности, % 35 Степень турбулентности, % 25 15 0 5 10 15 20 25 Средняя скорость потока в канале, м/с 0 5 10 15 20 25 Средняя скорость потока в канале, м/с П=0,919, dп =0,81 мм П=0,925, dп =2,7 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 18 0 5 10 15 20 25 30 5 10 15 20 25 30 Средняя скорость потока в канале, м/с Средняя скорость потока в канале, м/с П=0,916, dп=1,67 мм П=0,97, dп =3,5 мм Рис.6.71. Влияние скорости потока w на среднюю степень турбулентности за пористыми вставками различной проницаемости В результате первичного обобщения получено, что зависимость имеет вид:

24,0 – 4,279.ln(x) для П = 0,925 и dп = 2,70 мм Tu = 11,6 – 1,900.ln(x) для П = 0,919 и dп = 0,81 мм Tu = (6.6) 28,5 – 5,500.ln(x) для П = 0,970 и dп = 3,50 мм Tu = 24,5 – 4,140.ln(x) для П = 0,916 и dп = 2,17 мм Tu = Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Высота Порист. Диам. Длина № канала пор вставки 28 19 0,925 2,70 3 19 0,925 2,70 5 Степень турбулентности, % 19 0,925 2,70 15 19 0,970 3,50 7 22 19 0,970 3,50 18 19 0,919 0,81 5 20 19 0,919 0,81 10 19 0,874 0,93 10 16 19 0,916 2,17 3 10 0,925 2,70 19 10 0,970 3,50 19 10 0,919 2,17 19 10 7 0,919 0,81 19 8 7 0,970 3,50 19 5 0,874 0,93 19 5 0,925 2,70 19 4 5 0,916 2,17 19 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Расстояние, мм Рис.6.72. Зависимость степени турбулентности потока от расстояния за по ристой вставкой при различных параметрах вставок На рис.6.73 хорошо видно, что данные зависимости с погрешностью не более 15% описывают все экспериментальные точки.

Из рисунка видно, что прослеживается закономерность во влиянии диаметра пор и пористости на степень турбулентности и на закономерность ее затухания за пористой вставкой.

Далее была установлена связь коэффициентов А и В в зависимостях (6.6) от параметров пористой вставки. При этом наиболее точно можно опи сать эту зависимость, используя такой параметр, как проницаемость К.

Графическая зависимость коэффициентов А и В в уравнениях (6.6) от проницаемости представлена на рис.6.74.

Несмотря на то что параметр проницаемости является размерной вели чиной, его использование оправданы, так как он является интегральной ве личиной, характеризующей все параметры пористого образца – пористость и диаметр пор. В результате обобщения получены следующие зависимости для расчетов коэффициентов А и В:

А = 13,694К0,289, (6.7) В = 2,243К0,336.

Общий вид уравнения для расчета степени турбулентности за пористой вставкой и закон затухания турбулентности за данной вставкой можно опи сать единой зависимостью в виде [148]:

Tu = 13,694К0,289 – 2,243К0,336ln(x), (6.8) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах где Tu – степень турбулентности (%);

х – координата по ходу движения теп лоносителя, мм;

К108 – проницаемость, м2.

0,925-2,70 0,919-0, 1 2 3 6 7 10 16 Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % y=11,6-1.9ln(x) y=24-4,279ln(x) 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 Расстояние, мм Расстояние, мм 30 0.916-2. 0.97-3. 9 12 4 5 11 14 Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % y=28.5-5.5ln(x) y=24.509-4.141ln(x) 0 20 40 60 0 20 40 60 80 Расстояние, мм Расстояние, мм Рис.6.73. Зависимость степени турблентности потока от расстояния за порис той вставкой при различных параметрах вставок. Обозначения на рис.6. Коэффициент В Коэффициент А 20 15 0. y=13.69x 3 0. y=2.243x 5 10 15 0 5 10 Проницаемость х 10, м 8 Проницаемость х 10, м Рис.6.74. Зависимость коэффициентов А и В от проницаемости Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Зависимость (6.8) справедлива по всей длине зоны затухания турбу лентности, числах Рейнольдса Re=5000–40000, образцов из ВПЯМ пористо стью 0,85–0,97 и диаметром пор 0,81–3,5 мм.

Длина зоны затухания может быть оценена путем сравнения степени турбулентности, полученной по зависимости (6.8) и рассчитанной для глад кого канала. То есть математически длина Xз зоны затухания может быть оценена как:

Xз=х если Tu(х) = Tu0(х), (6.9) где Tu(х) – степень турбулентности за пористой вставкой, рассчитанная по зависимости (6.8);

Tu0(х) – степень турбулентности в пустом канале в дан ном сечении по длине канала.

Значение Tu0(х) может быть рассчитано с учетом рекомендаций А.С.Сукомела и др. [144].

6.4. Течение в канале с пористым выступом Конкретными задачами исследования структуры потока в каналах с пористыми выступами является определение механизмов переноса, т.е. про ведения оценки распределения скоростей, степени турбулентности потока и перераспределния потока над пористой вставкой и в ней при заужении кана ла, вследствие установки пористого слоя.

На рис.6.75 представлена схема проведения экспериментального ис следования течения в канале с пористы ми вставками в виде коротких поверхно стных слоев и как предельный случай – пористых выступов.

Первоначально было проведено ис следование влияния на картину течения длины пористой вставки. В зависимости от длины пористой вставки меняется ее Рис.6.75. Схема проведения гидравлическое сопротивление. Поэтому экспериментального исследо- ожидалось, что увеличение, даже незна вания течения в канале с по- чительное длины пористой вставки при ристыми вставками ведет к тому, что может измениться кар тина течения, так как меньшее количест во теплоносителя будет затекать в проницаемую матрицу пористого покры тия.

Однако, как показывают результаты экспериментов, увеличение длины поверхностного слоя не оказывает никакого влияния на картину течения за пористой вставкой.

При рассмотрении экспериментальных данных необходимо учитывать, что в экспериментах использовался однониточный датчик термоанемометра, Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах не позволяющий определять направление потока. В данном случае экспери ментальные точки, приходящиеся на зону рециркуляции за пористой встав кой, являются взятыми по модулю (без учета знака).

длина слоя 57 мм длина пористого слоя 57 мм 80 длина слоя 38 мм длина пористого слоя 38 мм длина слоя 19 мм длина пористого слоя 19 мм Среднеквадратичные пульсации Осредненная скорость, м/с скорости, м/с 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм Степень турбулентности, % Рис.6.76. Картина течения за пористым выступом различной длины. Пористая вставка – ВПЯМ, медь;

П = 0,92;

dп = длина пористого слоя 57 мм 2,5 мм. Средняя скорость воздуха пе длина пористого слоя 38 мм длина пористого слоя 19 мм ред выступом– 10 м/с. Высота высту 0 2 4 6 8 10 12 14 16 па – 14 мм Координата, мм На рис.6.76 показана картина течения за пористым поверхностным слоем различной длины. Как видно, картина течения практически не измени лась в зависимости от длины пористого слоя. Основная часть потока прохо дит над пористым поверхностным слоем, и там наблюдается некоторая ла миниризация потока, т.е. резкое уменьшение степени турбулентности потока.

Максимальное значение степени турбулентности приходится на границу раз дела «поверхностный слой – пустой канал». Это связано взаимодействием ускорившегося потока с шероховатой поверхностью пористого покрытия и возможностью «втекания-вытекания» небольших масс теплоносителя в по верхностные поры. Размер шероховатости для расчетов может приниматься половиной диаметра пор. Причем по данному графику распределения скоро сти в зоне над пористым покрытием можно сказать, что на пористой «шеро ховатой» поверхности пограничный слой нарастает интенсивнее, чем на про тивоположной гладкой поверхности.

Количественная оценка доли теплоносителя, проходящая над пористым слоем от общего расхода теплоносителя, показывает, что независимо от дли Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ны пористого слоя (L=19–57 мм) и параметров его материала (пористость и диаметр пор, проницаемость) практически весь поток проходит над пористой вставкой. Лишь в последних по направлению движения теплоносителя сече ниях пористого слоя поток входящих в слой не вдувается обратно в поток над пористым слоем, а выходит из слоя по вертикальному торцу.

Для более подробного рассмотрения картины обтекания пористого по верхностного слоя потока теплоносителя были проведены опыты, в которых бала реализована возможность измерения параметров потока над пористой вставкой (рис.6.77). Получено, что на некотором начальном участке при об текании потоком пористого препятствия из него в основной поток вдувается часть теплоносителя. Это доказывает предположение, что в связи с прони цаемостью пористой матрицы в нее входит часть потока с фронта, и вследст вие большого гидравлического сопротивления пористой матрицы эта часть потока стремится вернуться в основной поток над пористым слоем, органи зуя вдув.

Рис.6.77. Схема проведения экспериментального исследования течения в канале с пористыми вставками (выступами) Данное утверждение подтверждается результатами экспериментов, представленных на рис.6.78. Видно, как изменяется профиль скорости на на чальном участке при обтекании пористого препятствия. Данное изменение профиля характерно для вдува газа в пограничный слой при транспирацион ном охлаждении.

Данные по картине обтекания пористого выступа представлены на рис.6.79–6.81 и подтверждают высказанные выше предположения. Для срав нения на рис.6.80 представлены данные по картине обтекания непроницаемо го выступа.

В то же время данные, представленные на рис.6.81, показывают, что проницаемость выступов приводит к увеличению зоны рециркуляции, из че го можно косвенно высказать предположение, что, наоборот, использование дискретно-установленных пористых выступов может привести к уменьше нию теплоотдачи в канале. В зоне рециркуляции коэффициенты теплоотдачи заведомо ниже, чем в точке присоединения потока и за ней. Анализ экспери ментальных данных показал, что зона рециркуляции за пористым покрытием больше по длине в 5–10 и более раз в зависимости от проницаемости покры тия, чем за непроницаемым покрытием (выступом). Этот факт также под тверждает, что часть теплоносителя заходит в пористое покрытие, где рабо Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах тает вышеописанный способ переноса теплоты, характерный для пористых проницаемых материалов, а большая часть движется над пористым покрыти ем.

сечение х=-9 мм сечение х=-9 мм сечение х=3 мм сечение х=3 мм Осредненная скорость, м/с Осредненная скорость, м/с 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 4 сечение х=-9 мм сечение х=-9 мм сечение х=3 мм сечение х=3 мм Среднеквадратичные пульсации Среднеквадратичные пульсации скорости, м/с скорости, м/с 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм 80 сечение х=-9 мм сечение х=-9 мм сечение х=3 мм сечение х=3 мм Степень турбулентности, % Степень турбулентности, % 60 40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Координата, мм Координата, мм а б Рис.6.78. Картина течения за и над пористым выступом, согласно рис.6.69. По ристая вставка – ВПЯМ, медь, П = 0,92, dп = 2,5 мм. Средняя скорость воздуха перед выступом– 10 м/с. Высота выступа: а – 5 мм, б – 10 мм Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.6.79. Картина течения над пористым выступом. Пористая вставка – ВПЯМ, медь, П = 0,874, dп = 0,92 мм. Высота выступа 10 мм. (Для сравнения приведена картина течения в пустом канале) Рис.6.80. Картина течения над пористым выступом. Пористая вставка – ВПЯМ, медь, П = 0,916, dп = 2,17 мм. Высота выступа 10 мм. (Для сравнения приведена картина течения над непроницаемым уступом) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.6.81. Картина течения за пористым выступом Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ГЛАВА 7. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В КАНАЛАХ С УПОРЯДОЧЕННЫМ ПОРИСТЫМ МАТЕРИАЛОМ 7.1. Структура упорядоченного пористого материала В результате проведенного анализа существующих пористых материалов было определено, что наилучшим с точки зрения теплогидравлической эффек тивности на данный момент является высокопористый ячеистый материал. Он имеет объемно развитый каркас с большой удельной площадью поверхности.

Это приводит к высокой интенсификации теплообмена. Однако структура ВПЯМ обладает рядом недостатков. К ним относятся неупорядоченность, на личие замкнутых и тупиковых пор, непрогнозируемость, что приводит к росту гидравлического сопротивления потока. Поэтому пористые материалы такого типа эффективно использовать на коротких по протяженности участках ТА с высокой тепловой нагрузкой.

На основе экспериментальных исследований были определены основ ные факторы, влияющие на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление при течении охладителя в каналах с пористыми структурами. К ним относятся кон структивные характеристики каркаса ПМ и теплофизические характеристики теплоносителя. Основное влияние на интенсивность теплоотдачи оказывают площадь теплоотдающей поверхности каркаса ПМ, его теплопроводность, эф фективные теплопроводности каркаса ПМ и теплоносителя, площадь поверхно сти контакта каркаса пористого материала со стенками канала. При этом пере численные факторы имеют тесную взаимосвязь, которая определяется связью теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Поэтому можно говорить толь ко об основном влиянии, не относя полностью влияние того или иного фактора на теплоотдачу или гидравлическое сопротивление.

На основе проведенного анализа существующих пористых материалов предложен новый пористый материал – упорядоченный высокопористый мате риал (УПМ) [149]. Этот ПМ является упорядоченной, прогнозируемой структу рой. Он сочетает в себе объемно развитую структуру каркаса и канальность.

Это обеспечивает наличие большой, регулируемой удельной поверхности кар каса и позволяет достигать эффективного перемешивания потока теплоносите ля при течении сквозь данную пористую структуру. ПМ не имеет замкнутых и тупиковых пор. Материал прост в изготовлении и применении.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах УПМ собирается из отдельных пористых элементов (рис.7.1). Элементы расположены по длине и по сечению канала вплотную друг к другу. Каждый пористый элемент выполнен в виде объемной решетки, образующей ячейки со осные в трех ортогональных плоскостях. Ячейки пористого элемента выполне ны квадратного (рис.7.2а), прямоугольного или круглого сечения (рис.7.2б) [149]. Пористый элемент содержит не менее четырех ячеек. Такие пористые элементы могут изготовляться методами порошковой металлургии. Пористые элементы с ячейками круглого сечения могут изготовляться путем простого сверления. Пористый материал можно просто укладывать в канал или предва рительно скрепляя пористые элементы между собой путем спайки, сварки или спекания. Пористые элементы легко обрабатываются, что позволяет пористому материалу придавать необходимую форму канала. В результате своей струк турности пористый материал позволяет компоновать вставки в канале с плавно изменяющейся или переменной пористостью. Плавно изменяющаяся порис тость позволяет учесть изменение физических свойств рабочих сред теплооб менных аппаратов с изменением температуры. А переменная пористость – сни зить гидравлическое сопротивление за счет проставок с высокой пористостью.

Рис.7.1. Элементы упорядоченного пористого материала УПМ Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах а б в Рис.7.2. Структура УПМ: а – с ячейками квадратного сечения;

б – с ячейками круглого сечения;

в – штырьковые Пористость элементов в пределах от 0,1 до 0,86 достигается путем варь ирования размеров ячеек и перемычек между ними, которые могут быть оп ределены аналитически.

Для пористого материала с порами круглого сечения значение пористости определяется по формуле:

П = Vпор / V ;

6 n r 2 + [r 2 (16(r x ) r 2 x 2 ) / 3]0,01 + r 2 ( t d п )3, П = 2 (7.1) t 3 2r x= где Vпор – объем, занимаемый порами;

V – объем элементарного элемента;

n величина перемычки в минимальном сечении;

dп – диаметр пор;

r=dп/2 – радиус пор;

t=dп+n – продольный и поперечный шаг. Все линейные размеры выража ются в миллиметрах.

Для пористого материала с порами квадратного сечения пористость рас считывается по формуле:

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 3а 2 ( t a ) + а П= (7.2), t где а – величина грани поры.

В последние годы в литературе появились исследования подобных структур. Можно отметить работу [150], где исследованы гидросопротивление и теплоотдача упорядоченного пороматриала, показанного на рис.7.3.

а б в г Рис.7.3. Структура и модель упорядоченного пороматериала [150]: а – структу ра упорядоченного пороматериала под микроскопом;

б – модель элементарной ячейки;

в – модель структуры упорядоченного пороматериала;

г – модель ис пользования пороматериала в элементе теплообменного аппарата 7.2. Гидравлическое сопротивление в каналах с упорядоченным пористыми материалом Исследование теплогидравлических характеристик каналов с УПМ про изводилось на экспериментльном стенде, описанном в параграфе 3.3 (рис.3.11– 3.13). В эксперименте исследовались вставки из УПМ, выполненные из раз личных материалов с различной пористостью (табл.7.1). Характеристики выби рались исходя из условий однофакторного эксперимента с целью охватить не обходимый диапазон пористости П, диаметра пор dп, толщины перемычки в минимальном сечении n и поперечного расстояния между центрами пор t.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Таблица 7. Характеристики пористых вставок № вставки П dп, м Материал n, мм t, мм Обозначение Медь 1 0,86 3,5 0,5 4, Медь 2 0,803 3,3 0,7 4, Медь 3 0,780 3,1 0,9 4, Медь 4 0,720 3,0 1,0 4, Нерж. сталь 5 0,619 2,5 1,3 3, Нерж. сталь 6 0,610 3,0 1,6 4, Нерж. сталь 7 0,605 2,0 1,1 3, Медь 8 0,513 3,0 2,2 5, Нерж. сталь 9 0,513 3,0 2,2 5, Латунь 10 0,512 1,5 1,1 2, Нерж. сталь 11 0,512 1,5 1,1 2, Алюминий 12 0,513 3,0 2,2 5, Текстолит 13 0,513 3,0 2,2 5, 14 – ВПЯМ Медь 0,860 3,0 – – – Для сравнения и косвенного подтверждения достоверности эксперимен тальных данных в экспериментах использовалась вставка №14 из ВПЯМ, теп логидравлические характеристики которой были заранее известны.

Так как при течении теплоносителя сквозь пористый материал при малых скоростях течения реализуется турбулентный режим, исследования проводи лись при рекомендуемых скоростях течения воды в гладких каналах ТА до 1,2 м/с при числах Рейнольдса Re =1·103 …1·104 (рис.7.4).

Для расчета гидравлического сопротивления в каналах теплообменных аппаратов на основе пористых материалов применяют, как указывалось выше, модифицированное уравнение Дарси. Поэтому были определены вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления, входящие в данное уравне ние. Эти коэффициенты удобны тем, что являются характеристиками только пористой среды и не зависят от типа теплоносителя, режима его течения, раз меров и формы канала.

Определение коэффициентов и проводилось согласно методики Ю.В.Ильина [1]. Для этого определялись зависимости комплекса А = (P) /(Lj) от j = w (рис.7.5). Результаты определения и представле ны в табл.7.2.

Необходимо отметить, что инерционный коэффициент гидравлического сопротивления для рассматриваемого материала на порядок ниже коэффициен та для ВПЯМ. Это объясняется тем, что при турбулентном течении охладителя сквозь УПМ, гидравлическое сопротивление имеет более слабую зависимость от массовой скорости, чем при течении в ВПЯМ.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Рис.7.4. График зависимости перепада давления в образце из УПМ от числа Рейнольдса: – вставка № 1;

– вставка № 2;

– вставка № 3;

– вставка № 4;

– вставка № 5;

– вставка № 6;

– вставка № 7;

– вставка № 8,9,12,13;

– вставка № 10, Таблица 7. Коэффициенты гидравлического сопротивления вставок 10 7, 1/м2, 1/м № вставки 1 1,277 51, 2 1,205 58, 3 1,274 64, 4 1,207 68, 5 2,661 124, 6 1,295 84, 7 2,798 127, 8 0,046 66, 9 0,946 66, 10 7,647 231, 11 7,647 231, 12 0,046 66, 13 0,946 66, 14 1,503 1012, Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Обобщение коэффициентов гидравлического сопротивления и про водилось по модели:

= С1П n1 t m1 ;

(7.3) n 2 m = С2П t, где С1 и С2, n1 и n2, m1 и m2– эмпирические коэффициенты;

П – пористость;

t – поперечный шаг пористой структуры, нормируемый по 1 мм.

Данная модель отличается от общепринятой использованием параметра t вместо dп. Для исследуемого материала, имеющего упорядоченную структуру, целесообразней использовать в качестве определяющего параметра шаг между порами. Это следует из анализа зависимостей, определяющих структуру порис того материала. Так как П=f(dп;

n), а t=dп+n можно заключить, что основным влияющим фактором является t. Полученные обобщающие зависимости для и имеют вид:

= 1,53 108 П 1,34 t 2 ;

(7.4) = 630П 1,75 t 1.

Рис.7.5. Зависимости комплекса А = (P) /(Lj) от массовой скорости j = w для упорядоченного пористого материала Зависимости (7.4) описывают экспериментальные данные с точностью ±25% при доверительной вероятности 0,95.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Для определения гидравлического сопротивления на практике принято использовать коэффициент гидравлического сопротивления :

w 2 L P =.

2d п П На рис.7.6 представлены характерные зависимости коэффициента гид равлического сопротивления от числа Rе. Характер изменения коэффициен та соответствует характеру его изменения для гладкого канала. Увеличение коэффициентов гидравлического сопротивления в канале с УПМ по сравне нию с подобным коэффициентом гидросопротивления гл в гладком канале / гл составило при Rе = 1500 от 9,1 раз до 28,7 раз в зависимости от пористо сти, при Rе = 7000 от 7,7 раз до 30,3 раз.

Рис.7.6. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Re в канале с УПМ: – вставка № 1;

– вставка № 2;

– вставка № 3;

– вставка № 4;

– вставка № 5;

– вставка № 6;

– вставка № 7;

– вставка № 8,9,12,13;

– вставка № 10, Значения гидравлического сопротивления для всех исследованных образ цов обобщены зависимостью вида:

= 0,485 Re 0, 2 П 2,1 (d п / n )1,465, (7.5) где линейные размеры d п и n исчисляются в мм. Зависимость (7.5) описывает экспериментальные данные с точностью ±25% при доверительной вероятности 0,95.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 7.3. Теплоотдача в каналах с упорядоченным пористым материалом Исследование средней эффективной теплоотдачи в каналах с УПМ про изводилось на экспериментальном стенде, описанном в параграфе 3. (рис.3.11–3.13) при течении воды. В эксперименте исследовались вставки из УПМ, выполненные из различных материалов с различной пористостью (табл.7.1), длиной 30 мм и размером поперечного сечения 88 мм. Вставки ис следовались при разных условиях установки в канал. Образцы с 1 по 14 иссле довались при установке без идеального контакта, затем вставки с 1 по 11 иссле довались при установке с идеальным контактом со стенкой канала.

Обобщение по эффективной теплоотдаче для различных условий уста новки проводилось раздельно.

Все вставки при различных условиях установки исследовались в следую щем диапазоне определяющих параметров:

RеD = 1,5·103…1·104;

П=0,512... 0,86;

dп = 1,5…3,5 мм;

к / ж =0,4…700.

Все исследования проводились при использовании одного теплоносителя.

Поэтому влияние числа Прандтля Рr на теплоотдачу было принято аналогич ным влиянию при турбулентном режиме течения воды в гладком пустом кана ле. Турбулентный режим течения при данных числах RеD в канале с УПМ под тверждается характерным расположением экспериментальных точек на рис.7. при определении коэффициентов сопротивления УПМ.

Исследования теплоотдачи в каналах с УПМ подтвердили значительную интенсификацию теплоотдачи в каналах со вставками, не имеющими идеально го контакта. Интенсификация теплоотдачи составила для условия установки без идеального контакта при Rе=1500 от 1,5 до 5 раз в зависимости от пористости и при Rе=10000 от 1,43 до 4,64 раз в зависимости от пористости (рис.7.7). Уста новлено, что теплообмен в каналах с УПМ, не имеющим идеального контакта со стенками, пропорционален Rе0,767. Определение влияния пористости на теп лоотдачу проводилось по оценкам математических ожиданий в группах для ка ждого значения пористости. Установлено, что коэффициент теплоотдачи для данного способа установки вставок в канал пропорционален П–0,757.

В процессе исследования было обнаружено влияние диаметра пор на теп лоотдачу. Поры в УПМ расположены так, что образуют сквозные каналы с раз мером, равным dп, которые характерным образом влияют на поле распределе ния скоростей потока.

Как указывалось ранее, во многих работах отмечается отсутствие влияния теплопроводности материала каркаса пористого материала при способе уста новки вставок в канал без идеального контакта. Для УПМ такая зависимость выявлена: коэффициент теплоотдачи зависит от относительной теплопроводно сти каркаса УПМ пропорционально ( к/ ж)0,071. Это связано с тем, что элемен ты каркаса УПМ более массивны, например по сравнению с элементами карка Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах са ВПЯМ, и даже при при одиночных точечных контактах элементов каркаса со стенки по нему протекает значительная доля тепловой энергии.

В приведенном обобщении вместо коэффициента эффективной теплопро водности материала каркаса ПМ к эф применялся коэффициент теплопровод ности материала каркаса пористой структуры км. Это связано с тем, что к эф зависит от пористости П и км, а учет влияния П приводился отдельно.

В результате экспериментальные данные по теплоотдаче в канале со вставками из УПМ при условии установки без идеального контакта были обобщены единой зависимостью [151–157]:

0, 25 0,071 1, Prf 0, dп Prf0, 43 к Re 0,767 Nu D = 7,34 10 (7.6) П.

D D Prw м Рис.7.7. Влияние числа ReD на среднюю эффективную теплоотдачу в канале со вставками из УПМ, не имеющими идеального контакта со стенками: точки – экспериментальные данные;

обозначения в табл.7. Зависимость (7.6) описывает все экспериментальные данные (более результатов экспериментов) с максимальной погрешностью –37…+60% и ±35% при доверительной вероятности 0,95 (рис.7.8). При вычислении критериев по добия в зависимости (7.6) за характерный размер был принят эквивалентный диаметр канала D (D=4F/П, где F=аb площадь поперечного сечения канала с УПМ, П=2a+2b периметр поперечного сечения канала с УПМ), а за опреде ляющую температуру – средняя температура теплоносителя по длине пористой вставки.

На практике часто требуется, чтобы вставка и стенки канала, где она ус танавливается, имели совершенный механический и термический контакт. На личие такого контакта улучшает теплообменные характеристики теплообмен ных элементов. Поэтому были проведены экспериментальные исследования Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах теплоотдачи в каналах со вставками из УПМ, имеющими идеальный контакт со стенками канала. Исследования проводились в том же диапазоне влияющих факторов:

RеD = 1,5·103…1·104;

П=0,512... 0,86;

dп = 1,5…3,5 мм;

к / ж =0,4…700.

Рис.7.8. Экспериментальные данные по средней эффективной теплоотдаче в каналах со вставками из УПМ, имеющими не идеальный контакт со стенками:

точки – экспериментальные данные;

обозначения в табл.7.1;

линия – расчет по (7.6) В ходе исследования было обнаружено, что интенсификация теплообмена теплоотдачи составила при Rе=1500 от 6 до 35 раз в зависимости от пористости и при Rе=10000 от 8,75 до 98 раз в зависимости от пористости. Установлено, что коэффициент теплоотдачи в каналах со вставками из УПМ, имеющими иде альный контакт со стенками каналов, пропорционален Rе1,45 (рис.7.9).

Следует отметить, что влияние пористости на теплоотдачу при способе установки с идеальным контактом значительнее и пропорционально П–1,52.

Аналогично тому, как в исследовании не скрепленных со стенками кана ла вставками, здесь было обнаружено влияние относительного диаметра пор и относительной теплопроводности материала каркаса ПМ на теплоотдачу.

Влияние относительного диаметра пор при этом значительно уменьшилось и стало пропорциональным (dп/D)–0,514. Это уменьшение влияния относительного диаметра в основном связано с увеличением величины тепла, переносимого по Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах каркасу, что приводит к уменьшению потока тепла, отбираемого непосредст венно от стенки к потоку воды в пристенных порах.

Уровень влияния относительной теплопроводности каркаса пористого материала соответственно возрос и стал пропорционален ( км/ жм)0,168.

Рис.7.9. Влияние числа ReD на среднюю эффективную теплоотдачу в канале со вставками из УВПМ, имеющими идеальный контакт со стенками: точки – экс периментальные данные;

обозначения в табл.7. Рис.7.10. Экспериментальные данные по средней эффективной теплоотдаче в каналах со вставками из УПМ, имеющими идеальный контакт со стенками: точ ки – экспериментальные данные;

обозначения в табл.7.1;

линия – расчет по (7.7) Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах В итоге результаты экспериментальных исследований во всем рассматри ваемом диапазоне изменения влияющих факторов были обобщены единой за висимостью [151–157]:

0, 25 0,168 0, Prf 1, dп Prf0, 43 к Re1, 45 Nu D = 3,94 10 (7.7) П.

Prw D D м Зависимость (7.7) описывает все экспериментальные данные (более результатов экспериментов) с максимальной погрешностью ±45% и ±35% при доверительной вероятности 0,95 (рис.7.10). При вычислении критериев подобия в зависимости (7.7) за характерный размер был принят эквивалентный диаметр канала Dэ, а за определяющую температуру – средняя температура теплоноси теля по длине пористой вставки.

При рассмотрении данных по теплоотдаче для вставок из УВПМ, имею щих идеальный контакт и не имеющих его, можно отметить, что для случая ус тановки с идеальным контактом увеличивается интенсивность передачи тепла по сравнению со случаем установки без идеального контакта: при Rе = 1500 от 4 до 7 раз в зависимости от пористости, а при Rе =10000 от 6,1 до 21,1 раза.

7.4. Сравнительный анализ теплогидравлической эффективности различных пористых интенсификаторов теплообмена Для определения целесообразности применения УПМ в ТА и области возможного их использования экспериментальные данные сравнивались с дан ными для других пористых материалов.

Для сравнения на описанном в второй главе стенде были проведены ис следования на ВПЯМ, вставка №14. На рис 7.11 приведено сравнение результа тов для близких по геометрическим характеристикам вставок № 1 и № 14.

Сравнение показало, что уровень теплоотдачи для вставки из ВПЯМ незначи тельно больше (рис.7.11а), а коэффициент гидравлического сопротивления больше в несколько раз (рис.7.11б), чем для вставки №1. Показатели сравнения приведены в табл.7.3. Исследования проводились без идеального контакта вста вок со стенками канала.

Отношение коэффициентов теплоотдачи в канале со вставкой и в пустом канале для вставок из ВПЯМ незначительно выше, чем для вставок из УПМ.

При этом отношение гидравлических сопротивлений заполненного и пустого каналов значительно отличается для каналов со вставками из УПМ и ВПЯМ, (табл.7.3). То есть каналы с УПМ, обладая практически такой же теплоотдачей, имеют сопротивление в несколько раз ниже.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах а б Рис.7.11. Сравнение экспериментальных данных по теплоотдаче (а) и гидрав лическому сопротивлению (б) в каналах с различными пороматериалами, не имеющими идеального контакта со стенками: – вставка №1;

– № 14;

ли ния – пустой гладкий канал Таблица 7. Сравнительные характеристики для вставок № 1 и i / j i / j Rе 1500 7150 2500 i – ВПЯМ 4,1 3,6 1,2 1, j – УВПМ i – ВПЯМ 53,7 51,9 1,8 1, j – пустой i – УВПМ 13,1 14,4 1,5 1, j – пустой Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Обозначение Авторы Работа Структура пористого мате- Контакт со риала стенкой Попов И.А. ВПЯМ, П=0,85…0,95 Неидеальный 1 – Надыров И.Н. ВПЯМ, П=0,83…0,97 Неидеальный 2 [72] Гортышов Ю.Ф.

3 0,8 0, Расчет по Nu = 0,023 Re Pr для турбулентного ре жима течения в пустом гладком канале Поляев В.М. и др. Сетчатый материал, Идеальный П=0,85…0, Аэров М.Э. Шаровая засыпка и зерни- Неидеальный 5 [2] Крымасов В.Н. стый материал [28] Мегерлин, Мэрфи, Щеточная структура Идеальный 6 [75] Берглес Попов И.А. ВПЯМ, П=0,9…0,97 Идеальный – Мегерлин, Мэрфи, Сетчатая структура, Неидеальный [75] Берглес П=0,85…0, Нагога Г.П. и др. Металлорезина, Неидеальный [17] П=0,85…0, Попов И.А., УПМ, П=0,512…0,86 Неидеальный – Гулицкий К.Э.

Попов И.А., УПМ, П=0,512…0,86 Идеальный – Гулицкий К.Э.

Рис.7.12. Сравнение экспериментальных данных по теплоотдаче в каналах с различными типами пористых вставок На рис.7.12 приведено сравнение экспериментальных данных по теплоот даче для УПМ и данных других авторов для различных пористых наполните лей. Можно отметить, что интенсивность теплоотдачи для вставок из УПМ, не имеющих совершенного контакта со стенками, находится примерно на уровне Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах теплоотдачи, наблюдаемой в шаровых засыпках. При этом гидравлическое со противление шаровых засыпок значительно выше. Для вставок из УПМ, имеющих идеальный контакт со стенками канала, уровень теплоотдачи соот ветствует уровню теплоотдачи для металлорезины и для ВПЯМ с идеальным контактом. А также превосходит уровень теплоотдачи в каналах с сетчатыми структурами более низкой пористости (37... 65)%, имеющими идеальный кон такт со стенками канала.

Таким образом, проведенное сравнение показывает, что уровень теплоот дачи в каналах с УПМ соответствует и даже в некоторых случаях превосходит уровень теплоотдачи в каналах с другими пористыми наполнителями. При этом гидравлическое сопротивление в каналах с УПМ значительно ниже, чем для неупорядоченных пористых структур, таких как ВПЯМ, сетчатые структуры, шаровые засыпки и т.п.

а б в г Рис.7.13. Результаты расчетов по математической модели. Сравнение темпера турных полей каркаса и охладителя для вставок из УПМ без идеального кон такта со стенками: – расчетная температура воды;

– данные эксперимента по температуре воды;

– данные эксперимента по температуре каркаса;

а – вставка №10, w=0,987 м/с, q=248 кВт/м2;

б – №10, w=1,12 м/с, q=422 кВт/м2;

в – №4, w=1,12 м/с, q=422 кВт/м2;

г – №4, w=0,987 м/с, q=870 кВт/м Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 7.5. Математическое описание влияния основных режимных параметров и геометрических размеров канала и интенсификаторов на гидросопротивление и теплоотдачу Для обоснования возможности использовать математическую модель, описанную в параграфах 4.1 и 4.2, были проведены экспериментальные иссле дования температурного состояния каркаса вставок из УПМ и теплоносителя.

Экспериментальные данные сравнивались с данными, рассчитанными по мате матической модели.

Эксперименты проводились на вставках №4 с пористостью 72,1% из меди dп=3,0 мм и №10 с пористостью 51,2% из латуни, dп=1,5 мм при двух условиях установки вставок в канал: условии идеального контакта со стенками канала и без него. Все замеры проводились в сечении х=14 мм от входа в пористый ма териал длиной 30 мм при скоростях потока W=0,987 м/с и w=1,12 м/с.

На рис.7.13 приведено сравнение результатов экспериментального и рас четного определения температуры каркаса и теплоносителя при условии уста новки вставок без идеального контакта со стенками канала. Наблюдается хоро шее совпадение экспериментальных и расчетных данных. Расхождение состав ляет для вставки №4 а – –6%, б – –2,5%, для вставки №10 а – +12%, б – +4%.

На рис.7.14 приведено сравнение результатов экспериментального и рас четного определения температуры каркаса и теплоносителя при условии уста новки вставок с идеальным контактом со стенками канала.

б а Рис.7.14. Результаты расчетов по математической модели. Сравнение темпера турных полей каркаса и охладителя для вставок из УПМ с идеальным контак том со стенками: – расчетная температура каркаса;

– расчетная температу ра воды;

– данные эксперимента по температуре воды;

– данные экспери мента по температуре каркаса;

а – вставка №10, w=0,987 м/с, q=498 кВт/м2, 0 = 0,804;

б – №10, w=1,12 м/с, q=282 кВт/м2, 0 = 0, Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Расхождение экспериментальных и расчетных данных по температуре каркаса и теплоносителя составили для вставки №10 для режима а – по темпе ратуре каркаса +6,8%, по температуре жидкости +8,8%, для режима б – +9,4% и +7,8% соответственно. Можно говорить об удовлетворительном согласовании экспериментальных и расчетных данных.

Как видно из приведенных данных, математическая модель, приведенная в параграфах 4.1 и 4.2, пригодна для пористых материалов различной структу ры и пористости. По указанной математической модели можно прогнозировать характеристики каналов теплообменного оборудования с УПМ.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ГЛАВА 8. ПОРИСТЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 8.1. Теплообменные аппараты на основе высокопористого проницаемого ячеистого материала В ходе выполнения исследований были разработаны и созданы тепло обменные аппараты (ТА) типа «газ-газ» и «газ-жидкость» на основе ВПЯМ.

ТА созданы в НИИ проблем порошковой металлургии РИТЦ «Порошковая металлургия», г.Пермь.

Теплообменный аппарат на основе ВПЯМ типа «газ-жидкость» пред ставляет собой пластинчатый рекуперативный теплообменный аппарат с пе рекрестным течением теплоносителей, причем нагретый воздух протекает по 11 плоскопараллельным каналам с пористыми вставками из ВПЯМ на основе меди, а охладитель – вода – по 10 плоскопараллельным пустым гладким ка налам. Пористые вставки имели совершенный контакт со стенками каналов, т.е. формировались непосредственно в нем. Их пористость составляла П=90%, диаметр пор – 4,0 мм, развитая удельная поверхность – 800 м2/м3.

Высота канала для воздуха составляла 10 мм, а для воды – 2 мм. Каналы теп лоносителя и охладителя разделялись медными пластинами толщиной 0, мм. Длина канала для жидкости – 150 мм, для газа (с пористой вставкой) – мм. Общий вид и способ установки ТА на экспериментальный стенд пред ставлены на рис.8.1.

Рис.8.1. Теплообменный аппарат на основе ВПЯМ типа «газ-жидкость»

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ТА на основе ВПЯМ типа «газ-газ» представляет собой пластинчатый рекуперативный теплообменный аппарат с перекрестным течением теплоно сителей, причем охлаждающий и охлаждаемый потоки воздуха протекают по собственным 7 плоскопараллельным каналам с пористыми вставками из ВПЯМ на основе меди. Пористые вставки имели совершенный контакт со стенками каналов, т.е. формировались непосредственно в нем. Их порис тость составляла П=90%, диаметр пор – 4,0 мм, развитая удельная поверх ность – 800 м2/м3. Высота каналов составляла 10 мм. Каналы теплоносителя и охладителя разделялись медными пластинами толщиной 0,5 мм. Длина кана лов для теплоносителей (с пористой вставкой) – по 150 мм. Общий вид и способ установки ТА на экспериментальный стенд представлены на рис.8.2.

Рис.8.2. Теплообменный аппарат на основе ВПЯМ типа «газ-газ»

По завершении исследований на данном ТА были проведены исследо вания на ТА этого типа, но с пустотами в виде сверлений в теле пористых вставок, установленных в тракте нагретого воздуха с целью уменьшения уровня гидросопротивления ТА. Количество сверлений в каждой серии экс периментов варьировалось (рис.8.3). Эксперименты проводились при отно сительных площадях и объемах, занимаемых пористой вставкой в каналах нагретого потока воздуха, равными:

Vотв Fотв = 0,11 и V = = 0,105 ;

1-й вариант: F = Vпор.вст.

Fкан 2-й вариант: F = 0,06 и V = 0,06.

Наличие пустот приводило к изменению средней пористости вставки в канале. Расчет модифицированной пористости производился с учетом зави симости (6.2).

В качестве результатов испытаний теплообменных аппаратов со встав ками из ВПЯМ можно рассматривать все результаты, полученные на рабочем участке, изображенном на рис.3.2. Рабочий участок представляет собой теп Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах лообменный аппарат труба в трубе типа «газ–жидкость», в котором по цен тральной трубе со вставкой из ВПЯМ движется горячий воздух, охлаждае мый снаружи потоком воды c перекрестным шестикратным течением с общим противо током по отношению к воз душному потоку. Данный теплообменный аппарат ими тирует работу межступенча того охладителя газа в мно гоступенчатых компрессорах (рис.8.4). Длина и диаметр центральной трубы теплооб а б менного аппарата выбраны в Рис.8.3. Схема размещения пустот (сверле- соответствии с реальными ний) во вставках из ВПЯМ в каналах горя- размерами труб в межсту чего теплоносителя в ТА типа «газ-газ»: а – пенчатом охладителе газа.

при F = 0,06 и V = 0,06 ;

б – при F = 0,11 и Теплообменная труба с по V = 0,105 ристой вставкой показана на рис.4.14.

а б Рис.8.4. Схема компрессорной установки с межступенчатым охладителем га за: а – компрессорная установка: 1 – многоступенчатый компрессор;

2 – меж ступенчатый воздухоохладитель;

3 – турбина;

4 – камера сгорания;

5 – газо перекачивающий агрегат или электрогенератор;

б – межступенчатый охлади тель газа 8.2. Исследование теплогидравлических характеристик теплообменных аппаратов на основе высокопористого проницаемого ячеистого материала Основной целью проведения испытаний ТА и исследований влияния основных режимных и конструктивных параметров на эффективность ТА была апробация разработанной методики расчета пористых ТА (ПТА) и ма тематической модели процессов переноса в пористых средах, а также опре Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах деление эффективности использования пористых теплообменных аппаратов и элементов.

Результаты экспериментального исследования показали, что ТА на ос нове ВПЯМ имеют высокий уровень теплообмена. Так, для исследованного ТА типа «газ-газ», показанного на рис.8.2, тепловая эффективность состави ла =0,92…0,95 при мощности теплообменного аппарата Q=0,5–1,2 кВт. При этом гидросопротивление каналов с ВПЯМ составило 250–350 кПа в иссле дованном диапазоне расходов теплоносителя.

На рис.8.4 представлено сравнение экспериментальных данных по теп лопередаче в ТА типа «газ-газ» на основе ВПЯМ с результатами расчета по методике расчета ТА с учетом полученных зависимостей для теплоотдачи и гидросопротивления. Полученные данные подтверждают достоверность ма тематической модели и методики расчета ТА на основе ВПЯМ: линии, опи сывающие зависимость теплопередачи от расхода, находятся между расчет ными линиями для ТА, имеющими совершенный и несовершенный контакты пористого наполнителя со стенками каналов ТА. Испытанный ТА имел вы сокопористые вставки в каналах, причем вставки имели идеальный контакт со стенками канала, но с наличием отдельных участков с отслоением порис того материала от стенок. Поэтому разница между расчетными данными и экспериментами на 17% считается удовлетворительной. Разработанная мето дика позволяет рассчитывать уровень гидросопротивления в ТА на основе ВПЯМ с точностью ± 30%. Расчет гидросопротивления производился с уче том потерь давления в подводящих и отводящих коллекторах.

Рис.8.6. Тепловая мощность тепло Рис.8.5. Коэффициент теплопередачи, обменника типа «газ-газ» со вставка реализуемый в ТА с ВПЯМ типа ми из ВПЯМ, П=0,9 и dп=4,0 мм, «газ-газ»: точки – эксперимент;

ли – F = 0;

– F = 0,06;

нии – расчет по матмодели ТА: 1 – медь: – для каналов с идеальным контактом F = 0, ВПЯМ со стенками каналов;

2 – для каналов без идеального контакта Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 0,96 0, Тепловая эффективность Потери давления, кПа 0, 0, 0, 0, 0, 0, 6 8 10 12 14 6 8 10 12 14 G, кг/с G, кг/с Рис.8.7. Тепловая эффективность те- Рис.8.8. Потери давления в канале те плообменника типа «газ-газ» со плообменника типа «газ-газ» со вставками из ВПЯМ, П=0,9 и dп=4,0 вставками из ВПЯМ, П=0,9 и dп=4, мм, медь: – F = 0;

– F = 0,06;

– мм, медь: – F = 0;

– F = 0,06;

– F = 0,11. Условия испытаний в поле F = 0,11. Условия испытаний в поле на рис.8.6 на рис.8. Несмотря на высокую тепловую эффективность, высокий уровень гид росопротивления резко сужает диапазон применения ТА на основе ВПЯМ в различных областях техники.


Немаловажную роль играет и засоряемость ВПЯМ при работе. В настоящее время пористые материалы широко исполь зуются в лазерной технике для охлаждения металлических зеркал и отража телей, где уровень гидросопротивления и засоряемость не играют решающей роли ввиду того, что применение пористых структур в данном случае – прак тически единственный способ интенсификации теплообмена для отвода зна чительных тепловых нагрузок и обеспечения жесткости конструкции. По этому ВПЯМ может и должен применяться в случаях, когда никакой другой способ теплообмена не подходит по технологическим, прочностным или лю бым другим требованиям. Наиболее перспективными для использования ВПЯМ могут быть криогенная техника и системы с замкнутым контуром те чения чистых теплоносителей.

В методику расчета ТА на основе ВПЯМ были введены зависимости для расчета гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со вставками из ВПЯМ, имеющими в своем теле сверления или отверстия соосные с центральной осью пористой вставки (канала). Как было показано выше, при менение указанных сверлений позволяет значительно уменьшить гидравли ческое сопротивление в каналах ТА на основе ВПЯМ при сохранении высо кого уровня теплообмена. Проведенные исследования на ТА типа «газ-газ»

со вставками из ВПЯМ при наличии сверлений подтвердили этот факт. Гид равлическое сопротивление в каналах горячего теплоносителя, где были вы полнены сверления, уменьшилось до уровня, наблюдаемого при использова Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах нии оребрения, и даже меньшего, а уровень теплообмена практически не уменьшился. На рис.8.6–8.8 и в табл.8.1 приведены значения падения сум марных потерь давления в каналах ТА с ВПЯМ при наличии в них сверле ний. Как видно из рисунков и таблицы, высвобождение пути теплоносителю в виде наличия пустот в теле ВПЯМ привело к резкому уменьшению гидро сопроивления при практическом сохранении тепловой мощности и тепловой эффективности ТА.

Сравнение расчетных данных, полученных по разработанной мето дике с учетом данного метода уменьшения гидравлического сопро тивления, и результатов эксперимен тов дало удовлетворительный ре зультат: точность расчета гидросо противления составила 20%, а зна чения уровня теплообмена не вышли за установленные границы.

Рис.8.9. Тепловая мощность тепло обменника типа «газ-жидкость» со вставками из ВПЯМ, П=0,9 и dп=4, мм, медь.

0,96 0,94 Тепловая эффективность 0, Потери давления, кПа 0, 0, 0, 0, 0,82 0,8 3 5 7 9 11 3 5 7 9 11 G, г/с G, г/с Рис.8.10. Тепловая эффективность Рис.8.11. Потери давления в канале теплообменника типа «газ-жидкость» теплообменника типа «газ-жидкость»

со вставками из ВПЯМ, П=0,9 и со вставками из ВПЯМ, П=0,9 и dп=4,0 мм, медь. Условия испытаний dп=4,0 мм, медь. Условия испытаний на рис.8.9 на рис.8. Результаты экспериментального исследования ТА типа «газ-жидкость»

на основе ВПЯМ (показанного на рис.8.1) также показали высокую тепловую эффективность данных ТА. Для исследованного ТА тепловая эффективность Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах составила =0,82…0,94 (рис.8.10) при мощностях ТА от 0,8 до 0,3 кВт (рис.8.9). При этом гидросопротивление составило 15–60 кПа (рис.8.11).

Таблица 8. Результаты исследований ТА на основе ВПЯМ при наличии каналов в теле пористых материалов Пм P0/P Q0/Q F 0,899 0,00 1 1, 0,905 0,06 2 1, 0,908 0,11 6 1, 8.3. Сравнительный анализ теплогидравлических характеристик теплообменных аппаратов на основе высокопористого проницаемого ячеистого материала с другими видами интенсификации теплообмена В ходе выполнения исследования производилось сравнение данных по теплообмену и гидросопротивлению в ТА на основе ВПЯМ и ТА на основе оребрения. В качестве сравниваемых использовались ТА на основе оребре ния с треугольными жалюзийными ребрами, широко используемыми в авиа ционной промышленности. Сравнение производилось для ТА, имеющих оди наковые габариты. Характеристики ТА на основе оребрения представлены в табл.8.2. Размеры каналов ТА с ВПЯМ и с оребрением соответствовали опи саниям ТА, показанного на рис.8.1.

Таблица 8. Характеристики ТА на основе оребрения № Тип ребер Коэффициент Высота Шаг Толщина Материал компактности канала ребер ребер ребер Треугольные 10 мм 5 мм 0,5 мм Медь 1 гладкие Треугольные 3,2 мм 3,1 мм 0,5 мм Медь 2 гладкие Треугольные 3,2 мм 3,1 мм 0,5 мм Медь 3 жалюзийные Следует отметить, что характеристики ТА на основе ВПЯМ были по лучены экспериментально, а характеристики ТА на основе оребрения – рас четом по ППП «Расчет рекуперативных пластинчато-ребристых ТА», разра ботанном на кафедре ТОТ КГТУ им.А.Н.Туполева (КАИ).

Результаты сравнительного анализа показали, что эффективность ТА на основе ВПЯМ с П=0,93 выше, чем эффективность ТА на основе оребрения Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах с различными типами ребер и значениями компактности K=1000 и 2000 в 1,1…1,2 раза. Однако уменьшение пористости до значений менее 0,9 может увеличить эту разницу до 1,5 раза. Сравнение по уровню гидросопротивле ния показало, что ТА на основе ВПЯМ имеют значительно более высокий уровень гидросопротивления в каналах, чем ТА на основе оребрения. Разни ца достигает 2…6 раз при сравнении ТА на основе ВПЯМ с ТА на основе оребрения с компактностью К=2000 и 10…40 раз при сравнении с ТА на ос нове оребрения с компактностью К=1000. В технике ТА на основе оребрения имеют значения компактности не менее 2000.

Сравнение производилось и по другим параметрам (табл.8.3), среди ко торых следует выделить наиболее актуальные в настоящее время: загрязне ние ТА, технологичность создания, весогабаритные и прочностные характе ристики. Так, анализ ТА на основе ВПЯМ и сравнение с ТА на основе ореб рения показали, что ТА на основе ВПЯМ имеют большую подверженность загрязнению. Они улавливают из потока практически все макро- и микро-, жидкие и твердые частицы, в то время как ТА на основе оребрения улавли вают только макроскопические (бльшие чем ширина межреберного про странства) твердые частицы. Поэтому ВПЯМ часто используются как фильтры тонкой очистки.

Таблица 8. Сравнительный анализ характеристик пористых и ребристых ТА Сопоставляемый ТА на основе ВПЯМ ТА с оребрением параметр Интенсификация Высокий уровень теплообме- Высокий уровень тепло теплообмена на. При П более 0,93 уровень обмена. Тепловая эффек теплообмена примерно равен тивность 0,96 при ком тому, что наблюдается при пактности более использовании оребрения;

при м2/м3.

П менее 0,93 уровень тепло- Высокая эффективность обмена превосходит оребре- только при использова ние. Тепловая эффективность нии металлов с высоким всегда более 0,9 (при П менее.

0,91 и более 0,96). Ограниченность тепло Возможность создания в од- вой эффективности (теп них габаритах ТА различной ловой мощности) в опре тепловой мощности за счет деленных габаритах за использования различных ма- счет технологических ог териалов раничений изготовления оребрения Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Окончание табл.8. Сопоставляемый ТА на основе ВПЯМ ТА с оребрением параметр Гидравлическое Высокий уровень гидросопротив- Низкий уровень сопротивление ления (до 10 раз выше, чем при оребрении). Однако существует возможность уменьшения гидро сопротивления и выход его на уровень, наблюдаемый при ореб рении Загрязнение Высокая подверженность загряз- Низкий уровень за нению. Осаждает практически все грязнения при рабо твердые и жидкие макро- и мик- те. Осаждение толь рочастицы. Узкий диапазон при- ко твердых макро менения частиц Технологичность Высокая технологичность. Воз- Низкая технологич можность создания любых эле- ность. При создании ментов, любой формы. Малое ТЭ большое количе число операций при создании ТА. ство операций, часто Большой диапазон применяемых встречаются ручные.

материалов. Возможность созда- Вредность производ ния ВПЯМ и ТА одновременно ства (пайка) Вес, прочность, Малый вес, особенно при П более Вес всегла больше, габариты 0,9. Малая металлоемкость. Вы- чем у ВПЯМ. Боль сокая прочность шая металлоемкость.

Высокая прочность По технологичности ТА на основе ВПЯМ значительно превосходят ТА на основе оребрения. Существует возможность создания корпуса ТА одно временно со вставками из ВПЯМ путем сбора и последующего спекания кон струкции. Здесь исключается применение пайки и сварки при создании ТА, характерных для ТА на основе оребрения и вредных для здоровья человека.

ТА на основе ВПЯМ имеют гораздо меньшую металлоемкость, а зна чит и массу конструкции. Это вызвано малым весом ВПЯМ, особенно при высоких значениях пористости (более 0,9). ТА на основе ВПЯМ отличаются более широким выбором применяемых материалов. Широкий диапазон при меняемых материалов, а также изменение пористости и диаметра пор позво ляет создавать ТА на основе ВПЯМ с широким диапазоном теплогидравли ческих характеристик.

Отсутствием большого количества операций при создании ТА, малым весом конструкции, высокой технологичностью и т.д. объясняется и низкая стоимость ТА на основе ВПЯМ.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Сравнение результатов экспериментальных исследований теплоотдачи и гидросопротивления на ТА труба в трубе типа «газ–жидкость» (показанно го на рис.3.2) с ВПЯМ, хаотической засыпкой тонкостенный спеченных ко лец и внутренним оребрением были представлены ранее в параграфе 4.4.

8.4. Рекомендации по теплогидравлическому расчету пористых теплообменных аппаратов. Методика выбора оптимальной схемы Как уже указывалось, пористые материалы отличаются разнообразно стью. Для каждого вида пористого материала – шаровой или зернистой за сыпки, сетчатых, пружинных, щеточных, вспененных и других видов – свой ственны индивидуальные теплогидравлические характеристики, зависящие в свою очередь от структуры каркаса материала, пористости, диаметра пор и т.д.


Рассмотрим только один вид пористых материалов – высокопористый ячеистый проницаемый материал (ВПЯМ). В настоящее время в КГТУ (КАИ), РИТЦ ПМ г.Пермь, МГТУ, ОИВТ РАН исследованы характеристики данного материала и возможности изменения их за счет варьирования пара метров структуры и конфигурации пористых теплообменных элементов, соз даваемых на его основе.

На основе проведенных исследований и результатов обобщения полу ченных и известных в литературе результатов разработана методика выбора и расчета эффективной схемы пористого теплообменного элемента со встав ками из ВПЯМ. Методика предусматривает расчеты теплогидравлических параметров теплообменных пористых элементов (ПТЭ). Многовариантность расчетов пористых теплообменных аппаратов достигается варьированием схем расположения и конфигурациями пористых вставок. В методику вклю чены расчетные рекомендации по теплоотдаче и гидросопротивлению сле дующих схем расположения пористых вставок в каналах: вставки, полностью перекрывающие проходное сечение канала при идеальном и не идеальном термическом контакте вставок со стенками канала;

вставки из ВПЯМ, уста навливаемые в канале в виде поверхностных слоев;

вставки из ВПЯМ с глу хими отверстиями в теле матрицы для организации частичной или полной межканальной транспирации;

вставки из ВПЯМ, дискретно установленные в канале;

вставки из УПМ (упорядоченного пористого материала).

Все имеющиеся данные по расчету теплоотдачи и гидравлического со противления в каналах с пористыми вставками из ВПЯМ при различных спо собах их установки в каналах теплообменных элементов представлены в табл.8.4.

Исходными данными для расчетов являются заданные минимально до пустимое значения тепловой мощности ПТЭ Q доп и максимально допусти min Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах мое значение гидравлического сопротивления p доп, габаритные характери max стики ПТЭ, расход теплоносителей, их начальные температуры и давление.

Таблица 8. Расчетные рекомендации Способ интенсифи- Расчетные соотношения для теплоотдачи кации 1. Пористые встав- Не скрепленные со стенками канала вставки Nu = 0,35 Re0,65 Pr 0,4 (Pr/ Prw )0.14 П 5,6 ;

ки из ВПЯМ скрепленные со стенками канала вставки Nu = 4,3535 Re 0,35 Pr 0,4 (Pr/ Prw )0.14 П 8,5 ( м \ f )0,14 ;

все зависимости для диапазона:

Re = 103 2,5 106, П = 0,83 0,97, d D = 0,03 0,4, Pr = 0,7 8, м / f = 23 14800, L/D = 1 2. Пористые по- V По п.1 с учетом П м = П + (1 + П ) п верхностные слои V из ВПЯМ 3. Пористые встав- Не скрепленные со стенками канала вставки Nu = 7,34 10 3 Re 0,767 Pr 0, 43 (Pr/ Prw ) 0.25 П 0, ки из УПМ (d п D) 1,73 ( м f ) 0,071, зависимость для диапазона:

Re = 103 2,5 106, П = 0,83 0,97, d D = 0,03 0,4, Pr = 0,7 8, м / f = 23 14800, L/D = 1 12;

скрепленные со стенками канала вставки Nu = 3,94 10 4 Re1, 45 Pr 0, 43 (Pr/ Prw ) 0.25 П 1, (d п D) 0,514 ( м f ) 0,168, зависимость для диапазона:

Re = 1,5 103 10 4, П = 0,512 0,86, d = 1,5 3,5мм, Pr = 3,5 8, м / f = 320 4. Дискретная уста- В зоне пористой вставки по п.1.

новка вставок В зоне затухания турбулентности Nu L = 0,0132 Re 0,83 Pr 0, 4 Tu 0,3B;

L Tu – степень турбулентности в конце зоны затухания;

Tu0 – степень турбулентности начальная Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Продолжение табл.8. Способ интенсифи- Расчетные соотношения для теплоотдачи кации B= L + Tu 0,3n H + 1,17 + 0,3n (1,17 + 0,3n )(0,17 + 0,3n ) L + Tu 0,3n (0,3n 1) H Tu (1,17 + 0,3n )(0,17 + 0,3n )(0,3n 0,83) L + Tu 0,3n (0,3n 1)(0,3n 2) H Tu (1,17 + 0,3n )(0,17 + 0,3n )(0,3n 0,83)(0,3n 1,83) n = 3,71 * 103 1, 41 : 5% Tu 0 35% ;

n = 0,113 0,45 :

35% Tu 0 80% 5. Межканальная Nu = Nu0K, где Nu0 по п.1;

транспирация K = 0,5945 + 4,279( L) + 3,86( L) 2 4,995( L)3, при = 2 5,6мм, L = 7,97 33,77мм 6. Частичная меж- По п.1 с учетом расчета по Пм канальная транспи рация Q = Примечание: F(Tw Tf ) Расчетные рекомендации Способ интенсификации Расчетные соотношения для потерь давления 1. Пористые вставки из По уравнению Дарси ВПЯМ 2 P1 P = µ + j ;

2RTLj Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах = 6,61 107 d п2 П 4,75, = 5,16 10 2 d п1П 11, p o 2. Пористые поверхност = 1 + 586,5 F1,38 (1 П), ные слои из ВПЯМ p где р 0 рассчитывется по п. = 7,54 108 t 2,9 П 0,386 ;

3. Пористые вставки из УПМ = 3,53 10 2 t 1,57 П 1, 4. Дискретная установка В зоне пористой вставки по п. вставок В зоне затухания турбулентности 0,3440, =, Re 0, x k 1 = 1, k + 1 (k + 1)M w = =, a кр 1 + k 1 M w M =, a = kRT, a Re x = (1,5 100)105, M=0,15– 5. Межканальная транс- По п.1 для сокращенной L пирация 6. Частичная межканаль- П = 0,954 - p / p 0 = 0,50, ная транспирация П = 0,899 - p / p 0 = 0,47, П = 0,844 - p / p 0 = 0,31, где р 0 рассчитывется по п. Критерием выбора эффективного конструктивного решения при ис пользовании ВПЯМ в качестве интенсификаторов теплоотдачи может ис пользоваться условие энергетической эффективности:

p p доп при Q Q доп, max min Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах где Q и p тепловая мощность и гидросопротивление рассчитываемого ПТЭ.

Изложенное выше условие энергетической эффективности сводится к энергетическому коэффициенту акад. М.В.Кирпичева – E = Q/N ( Q – тепло производительность ТА, N – мощность прокачивания теплоносителей).

Три главных параметра характеризуют ТА – Q, N и площадь поверх ности теплообмена F. Назначение ТА – максимально эффективный тепло обмен между теплоносителями. По А.А.Гухману возможность теплообмена ( Q ) «покупается» за счет затрат на сопротивление ( N ), откуда следует ос новная задача конструктора ТА: передать в ТА наибольшее количество тепла Q за наименьшее количество гидропотерь N. Реализация этой задачи обес печивается при достижении максимально возможного теплогидродинамиче ского совершенства ТА – E = max. Кроме того, при проектировании интен сифицированного ТА с использованием интенсификаторов теплоотдачи (ИТ) конструктору необходимо стремиться к выгодному соотношению некоторых характерных параметров такого ТА по сравнению, например, с серийным гладкостенным (индекс «g ») вариантом. Обычно сравниваются (при прочих равных условиях) размеры ТА F/Fg, их объемы V/Vg, теплопроизводитель ности Q/Q g, мощность прокачивания N/N g и некоторые др.

При сравнении эффективности различных ИТ (т.е. каналов или ТА с ИТ) на базе коэффициента E в расчетных данных, сопровождающих сравне ние, присутствует информация, позволяющая вычислить все относительные параметры вида F/Fg и др.

В.И.Антуфьев предложил записать энергетический коэффициент в форме, исключающей влияние температурного напора t :

Q E = = =, Nt N / F N /( l) где коэффициент теплоотдачи;

F = l ;

периметр поперечного се чения канала;

l длина канала.

Разумно использовать коэффициент E или его относительную форму E = E / E. Сопоставление кожухотрубных ТА с различными ИТ (или с g гладкими каналами) целесообразно проводить при следующих одинаковых для всех ТА условиях (которые не ограничивают область сравнения):

Re;

l;

D;

N1 (F;

G;

V) = idem, (8.1) где равенство параметров, заключенных в скобки, есть следствие одинаково сти других величин, входящих в (8.1);

D диаметр гладкой части трубы;

N1 число труб в ТА;

G, V массовый и объемный расходы теплоносителя.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Тогда расчетное соотношение g позволяет судить (при t = idem ) о соотношении теплопроизводительностей интенсифицированного и гладко стенного каналов (ТА) Q Q g в условиях (8.1). Одновременно величина g показывает возможности сокращения поверхности канала с ИТ F от носительно поверхности гладкого Fg. Величина отношения вычисленных при Q = idem коэффициентов сопротивления g характеризует соотно шение мощностей прокачивания N N g. Следовательно, коэффициент E и сопутствующие его определению расчётные данные гарантируют возмож ность сравнения при условиях (8.1) всех основных параметров Q, N, F для каналов (ТА) с различными ИТ и без них, т.е. обеспечивается полноценное сопоставление разнообразных ИТ между собой. Поэтому коэффициент E необходимо классифицировать в качестве просто и физически ясного, осно вополагающего критерия оценки эффективности ИТ, каналов, ТА. Теплооб менник, имеющий качество на уровне E = max, и ИТ, обеспечившие такое качество, являются максимально эффективными (оптимальными).

Дополнительное преимущество метода оценки эффективности с помо щью коэффициента E заключается в том, что открывается возможность не посредственного сравнения параметров E, Q, N, F, V для разнообразных, реально проектируемых вариантов ТА без предварительного пересчёта их с целью приведения сравниваемых ТА к некоторым условным аппаратам, имеющим, например, равные мощности прокачивания или теплопроизводи тельности.

Разумеется, что основная цель преобладающего большинства осталь ных методов оценки эффективности ТА (существующих или только замыш ляемых) – сравнение главных параметров ТА: Q, N, F (при равенстве неко торых прочих условий) для нескольких аппаратов. Следовательно, остальные методы принципиально обречены на существенное повторение идеи коэффи циента E или тех относительных параметров ( Q Q g, N N g ), которые можно извлечь из результатов расчётов, сопутствующих вычислению величины E для сравниваемых ТА.

Например, для оценки эффективности использования интенсификации теплоотдачи (ИТО) в ТА в литературе часто рекомендуется коэффициент ( )( ) = Nu Nu g g, который можно переписать в форме = E E, т.е. g представить отношением коэффициентов E для ТА с ИТ и для обычного ТА (гладкостенного). Повторение идеи E в содержании коэффициента оче видно. Необходимо отметить, что форма коэффициента = E E предпоч g тительна, так как она отчётливо и в полной мере демонстрирует индивиду альное совершенство и соотношение качеств интенсифицированного и обыч ( )( ) ного ТА. Запись в виде = Nu Nu g g представляет лишь косвенную, неявную информацию о совершенстве сравниваемых ТА.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах Основы выбора оптимальных параметров интенсификации теплообме на по приведенной методике изложены в работах [158–161].

В работах [158–161] показано, что прочие критерии оценки эффектив ности ТА, например коэффициенты R 3 = g и K Q = Q Q g, затраты на создание ТА З = И + Э = min [ И – затраты (в руб.) на изготовление ТА, Э – затраты на эксплуатацию (в руб.)] и прочие, сводятся к рекомендуемому па раметру E = max.

Случай E = max указывает оптимальные параметры интенсификаторов для заданного числа Re = WD. Результат расчётов – график зависимости максимальных значений коэффициента Emax от числа Re.

При проведении расчетов варьируются пористость, диаметр пор, схема расположения и конфигурация пористой вставки, ее размеры.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненный обстоятельный обзор и анализ имеющихся данных по казал, что высокопористые материалы могут служить интенсификаторами теплообмена. Их применение способно интенсифицировать теплоотдачу в каналах теплообменного оборудования до десятков раз. Такая значительная интенсификация теплообмена свойственна только пористым средам.

Показано, что основной механизм значительной интенсификации теп лообмена заключается в высокоразвитой поверхности теплообмена, эффек тивном перемешивании теплоносителя в сообщающихся порах и высокому значению эффективной поверхностной теплоотдачи в канале.

Основным недостатком использования пористых материалов до сего дняшнего дня оставалось их высокое гидравлическое сопротивление и загрязняемость. Однако выявлены и исследованы способы уменьшения гид росопротивления в каналах с пороматериалами при сохранении высокого уровня теплообмена.

В монографии представлены основные результаты исследований высо копористых материалов, на основании которых можно отметить:

1. Экспериментально исследованы гидродинамические и теплообмен ные характеристики каналов со вставками из ВПЯМ.

2. Установлены основные закономерности течения и теплообмена в каналах с ВПЯМ:

а) гидравлическое сопротивление, коэффициенты поверхностной и объемной теплоотдачи уменьшаются с ростом пористости;

б) влияние среднего диаметра ячеек на поверхностную теплоотдачу не проявляется;

в) теплопроводность каркаса ВПЯМ к слабо влияет на теплоотдачу;

г) теплообмен в канале со вставкам из ВПЯМ интенсифицируется в 3–30 раз по сравнению с гладким каналом;

3. Проведено аналитическое исследование теплоотдачи на границе «пористая среда – стенка» при течении однофазной жидкости. Получены со отношения в виде уравнений подобия для расчета теплоотдачи.

4. Установлены основные закономерности течения и теплообмена при кипении теплоносителя в каналах с ВПЯМ.

5. Критические тепловые потоки в канале с вставками из ВИЯМ воз растают в 1,5...3 раза по сравнению с гладким каналом.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 6. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать те пловое состояние каркаса и охладителя в канале с пористой вставкой при стационарном течении вскипающего охладителя.

7. Получены новые экспериментальные данные по течению и теплооб мену в каналах с пористыми интенсификаторами теплообмена из ВПЯМ раз личной конфигурации, отличающиеся пониженным уровнем гидравлическо го сопротивления: поверхностные пористые слои, дискретная установка по ристых вставок, полная и частичная межканальная транспирация.

8. Установлено, что использование частичной межканальной транспи рации и поверхностных пористых слоев из ВПЯМ позволяет сохранить вы сокий уровень эффективной теплоотдачи в канале при уменьшении гидрав лического сопротивления от 2 до 6 раз в зависимости от пористости вставок.

9. Выявлена и математически описана закономерность затухания тур булентности за пористыми турбулизаторами из ВПЯМ.

10. На основе проведенного анализа существующих пористых интен сификаторов теплоотдачи разработан и создан новый материал с упорядо ченной структурой – УПМ.

11. Проведены экспериментальные исследования разработанного мате риала по теплоотдачи и гидравлическому сопротивлению, которые показали при установке вставок из УПМ в канал можно получить интенсификацию теплообмена от 1,5 до 98 раз.

12. Разработана методика расчета эффективных теплообменных аппа ратов и элементов на основе ВПЯМ различной конфигурации.

13. Результаты экспериментальных и аналитических исследований ап робированы в практической деятельности и могут быть рекомендованы в практику инженерных исследований.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах ЛИТЕРАТУРА 1. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машино строение, 1981.– 247 с.

2. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационар ным зернистым слоев. М.: Химия, 1979.

3. Поляев В М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и тепло обмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. М.: Ма шиностроение. 1988.– 168 с.

4. Справочник по теплообменникам: в 2- т. / под ред. Б.С.Петухова и В.К.Шикова. – М.: Энергоатомиздат. 1987. Т.1. – 560 с.

5. Аполлонов В.В., Быстров П.И., Гончаров В.Ф. и др. Перспективы использования пористых структур для охлаждения элементов силовой опти ки.// Квантовая электроника, 1979, Т.6, №12.– С.25332545.

6. Аполлонов В.В., Прохоров А.М., Хомич В.Ю., Христян Е.В. О воз можности использования вапотронного охлаждения в силовой оптике // Письма в ЖТФ,1978. Т.4, №4.– С.174175.

7. Аполлонов В.В, Моторин В.Н., Прохоров А.М., Харченко В. Н.и др.

Разработка и исследование тепловых труб для охлаждения и термостабили зации зеркал технологических лазеров // Тепломассообмен-ММФ. Секция 10.

– Минск: 1988. – С.123126.

8. Богоявленский Р.Г. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпера турных ядерных реакторах с шаровыми твэлами. М.: Атомиздат: 1978. – 112 с.

9. Костиков П.Е., Лозовецкий В.В. Проектирование тепловыделяющих элементов высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. М.: Энерго атомиздат, 1983. – 120 с.

10. Галицейский Б.М., Иноземцев Н.Н., Пустогаров А.В. Теплозащита энергетических установок летательных аппаратов. М.: Воениздат, 1983. – 351 с.

11. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах // Теплоэнергетика. 1978. №1. – С.6470.

12. Майоров В.А., Васильев Л.Л. Теплообмен и устойчивость при движении охладителя, испаряющегося в пористых металлокерамических ма териалах // ИФЖ, 1979. Т.36. №5. – С.914934.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 13. Нагога Г. П. Эффективные способы охлаждения лопаток высоко температурных газовых турбин: Учебное пособие. М.: Издво МАИ, 1996. – 100 с.

14. Пустогаров А. В. и др. Исследование эффективного пористого охлаждения // ИФЖ, 1980. Т.39. №3. – С.468474.

15. Анциферов Б.Н., Храмцов В.А., Питиримов О.М., Щурик А.Г. // Порошковая металлургия, 1988. №8. – С.8791.

16. Биверз, Сперроу. Течение через волокнистые пористые среды, не подчиняющиеся закону Дарси // Прикладная механика, 1969. №4. – С.59.

17. Нагога Г. П., Ануров Ю.М., Белоусов А.И. Теплообмен и сопро тивление в каналах с пористым наполнителем // ИФЖ, 1986. Т.51. №2. – С.187194.

18. Тушилович В.М., Косторнов А.Г., Леонов А.Н. и др. Пористые во локново-порошковые материалы на основе меди // Порошковая металлургия, 1992. №3. – С.5660.

19. Чэнь, Хун, Хун. Переходный режим свободной конвекции в высо копористой среде около вертикальной стенки // Энергетические машины, 1988, №3. – С.171178.

20. Кавиани М. Применение методов теории пограничного слоя для анализа теплоотдачи при вынужденной конвекции от полубесконечной пло ской пластины в пористом слое // Теплопередача, 1988. №1. – С.6469.

21. Пулинакос. Свободная конвекция в режиме пограничного слоя в вертикальном пористом слое при постоянном тепловом потоке на боковых стенках и ее отклонение от модели Дарси // Теплопередача, 1985. №3. – С.192.

22. Пулинакос, Ренкен. Вынужденная конвекция в канале, заполнен ном пористой средой, при наличии переменной пористости, инерционных и вязкостных эффектов // Теплопередача, 1985. №3. – С.192.

23. Паранг, Кейхани. Граничные эффекты при ламинарной смешанной конвекции в кольцевом слое пористой среды // Теплопередача, 1988. №3. – С.255258.

24. Ашихмин С.Р., Гортышов Ю.Ф. Математическое моделирование и оптимизация тепловых и деформационных характеристик пористых охлаж даемых элементов металлооптики // Казань, 1968. 12с. (Рукопись деп. в ВИНИТИ) 25. Вафаи, Алкире, Тьен. Экспериментальное исследование теплоотда чи в среде с переменной пористостью. // Теплопередача, 1985. №3. – С.134.

26. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводно сти - М.: Высшая школа. 1978. – 328 с.

27. Лыков А.В. Тепломассообмен / Справочник. М.: Энергия, 1972. – 479 с.

28. Крымасов В.Н. Теплоотдача, сопротивление и температурные поля при фильтрации газа в пористых телах // Труды ЦАГИ. 1972. Вып.1408.

Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах 29. Курочкин Ю.В. и др. Исследование эффективности пористого ох лаждения стабилизирующего канала плазматрона // Известия СО АН СССР.

Серия технических наук, 1977. №8. Вып.2. – С.97102.

30. Курпатенков А. В., Поляев В.М., Синцов А.А. Расчет охлаждения пористой металлической стенки, изготовленной спеканием из частиц сфери ческой формы // Машиностроение, 1985. №1. – С.5155.



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.