Содержание
Введение 4
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОС’А 110 ИССЛЕДОВАНИЮ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ В КАНАЛАХ С ПОРИСТЫМИ ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ТЕПЛООБМЕНА. 16
1.1. Пористые материалы. Особенности течения и теплообмена 16
1.2. Применение пористых структур в теплообменных аппаратах 28
1.3. Аналитические решения задач теплообмена в пористых структурах 41
1.4. Экспериментальное исследование теплообмена и течения в каналах
с пористыми вставками 55
1.5. Течение и теплообмен в пористых структурах с уменьшенным уровнем гидравлического сопротивления 77
1.6. Постановка задачи 88
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, МЕТОДИКИ 11Р0ВЕДЕН11Я И ОБРАБОТКИ ОПЫТОВ. 91
2.1. Методическое обеспечение исследований теплогидравлических характеристик каналов с пористыми вставками 91
2.1.1. Экспериментальный стенд 91
2.1.2. Метрологическое оборудование 98
2.1.3. Методика проведения опытов 99
2.1.4. Методика обработки результатов экспериментов 100
2.2. Методическое обеспечение исследований
структуры потока в канатах с пористыми вставками 103
2.2.1. Экспериментатьная установка 103
2.2.2. Методика проведения оксперимеїгтов 106
2.2.3. Методика обработки результатов 110
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПОТОКА В КАНАЛАХ С ПОРИС ТЫМИ Г1РОІШЦАЕМЫМИ ВСТАВКАМИ. 112
3.1. Характеристики пористых турбулизирующих систем. 112
3.2. Затухание турбулентности по длине канала за пористым турбулизатором. 115
3.3. Обобщение экспериментатьных данных по затуханию турбулентности. 144
3.4. Исследование поля скоростей и турбулентности за пористыми вставками различной конфигурации. 149
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В КАНАЛАХ С ПОРИСТЫМИ ПРОНИЦАЕМЫМИ ВСТАВКАМИ РАЗЛИЧНОЙ КОНФИГУРАЦИИ 163
4.1. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с пористыми вставками и
поверхностными слоями. Расчетные рекомендации. 163
4.2. Результаты экспериментального исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с пористой межканальной 165 транспирацией.
4.3. Методика выбора оптимальной схемы пористою конвективного 170 охлаждения и теплогидравлического расчета
183
Заключение
184
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется непрерывным увеличением теплонапряженности двигателей и энергетических установок летательных аппаратов, а также элементов их конструкций. Успешное решение возникающих при этом задач невозможно без интенсификации процессов массопереноса.
Одним из перспективных и эффективных способов интенсификации тепломассообменных процессов является использование в теплообменных устройствах пористых металлов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем вследствие очень развитой поверхности их соприкосновения. Практическая реализация этою способа стала возможной только после того, как развитие технологии и, в первую очередь, порошковой металлургии позволило производить разнообразные пористые материалы.
Широкий диапазон структурных, теплофизических, гидравлических, химических, оптических и других свойств пористых материалов, простота изготовления из них элементов конструкций, высокая интенсивность теплообмена - всё это дает возможность использовать пористые теплообменные элементы в различных экстремальных условиях. Одновременно с интенсивным теплообменом с помощью пористых элементов можно реализовать процессы фильтрования, разделения фаз, дросселирования и т.д.
Для теплового и гидравлического расчетов разнообразных теплообменных устройств с пористыми элементами необходимо иметь информацию о механизме и интенсивности теплопереноса и гидравлическом сопротивлении при движении однофазного теплоносителя и теплоносителя с фазовыми превращениями в проницаемых матрицах различной структуры. Характер этих процессов в каждом конкретном случае зависит от геометрии устройства, условий подвода и направления потоков теплоты и теплоносителя.
Пористыми теплообменными элементами (ПТЭ) называются устройства, в которых осуществляется теплообмен между проницаемой матрицей и потоком жидкости внутри нес.
Несмотря на большое разнообразие теплообменных устройств с пористыми элементами по назначению, конструктивному оформлению, свойствам и фазовому состоянию теплоносителя, общим для них является теплообмен между пористым материалом и теплоносителем, а основное отличие заключается в условиях подвода теплоты внутрь проницаемой структуры.
Рассмотрим ПТЭ с подводом (отводом) теплоты внутрь пористою материала теплопроводностью от имеющей с ним идеальной тепловой контакт герметичной нагреваемой (охлаждаемой) поверхности (рис. 1.1). Здесь можно выделить четыре основных варианта: капал с проницаемой вставкой а; межтрубнос пространство, заполненное пористой матрицей б: поверхность с ребрами, вершины которых соединены с проницаемой перегородкой в; поверхность, покрытая слоем пористого материала, в котором имеются каналы г. В последних двух вариантах теплоноситель проходит сквозь пористую структуру и движется но каналам вдоль поверхности.
Основное назначение ПТЭ с подводом теплоты от сплошной стенки -интенсификация теплообмена между поверхностью и омывающим ее потоком теплоносителя. Здесь качественно меняется механизм переноса теплоты: она от непроницаемой стенки передается теплопроводностью через каркас внутрь проницаемой матрицы и затем поглощается потоком теплоносителя за счет интенсивного внутрнпорового теплообмена. Пористый заполнитель должен иметь высокую теплопроводность и идеальные тепловой и механический контакты со стенкой.
5
ш
ч 14
в
Рис. 1.1. Пористые теплообменные элементы с подводом (отводом) теплоты внутрь проницаемой матрицы теплопроводностью от боковой сплошной стенки.
6
Этот метод интенсификации позволяет с помощью однофазного теплоносителя охлаждать сплошную стенку, подверженную воздействию больших тепловых потоков, например, при конвективном охлаждении стенок ракетных двигателей (рис. 1.2) и лопаток их газовых турбин, элементов электронной аппаратуры и других теплонапряженных устройств. В частности. за счет охлаждения прокачкой воды через проницаемую подложку может быть обеспечена надежная работа лазерного отражателя. Такой способ охлаждения в настоящее время - единственный при малых размерах или сложной форме нагреваемых конструкций, в которых невозможно выполнить каналы для охладителя. Например, лопатки малых газовых турбин ракетных двигателей с максимальной толщиной профиля порядка 3 мм, хордой около 2 см и длиной от 1 до 2 см обычно не охлаждаются, что ограничивает температуру газового потока и эффективность таких турбин. Изготовление лопаток из волокнистого металла 1 (рис. 1.3), покрытою снаружи тонким герметичным слоем керамики 2 и охлаждаемого продольным потоком газа, вытекающего через вершину, позволяет снять эти ограничения.
Указанный метод интенсификации теплообмена послужил причиной того, что одновременно е развитием технологии изготовления пористых металлов было предложено большое количество конструкций разнообразных теплообменных устройств, в которых каналы или межтрубное пространство заполнены такими металлами.
Основные конструкции тсплооб.менных устройств с использованием ПТЭ данного типа приведены на рнс. 1.4.
На рис. 1.4а изображен теплообменник, в котором пористые поперечные матрицы 1 размещены как во внутренней, так и во внешней трубе. Эти вставки имеют одинаковую толщину и расположены в одной плоскости.
7
Рис. 1.2. ЖРД, стенка 1 горловины сопла которого охлаждается компонентом топлива, прокачиваемого сквозь проницаемую вставку
Рис. 1.3. Малогабаритная пористая лопатка газовой турбины:
1 - волокнистый металл; 2 - керамическая герметичная оболочка; I - сечение лопатки
Рис. 1.4. Схемы теплообменных устройств с пористыми высокотеплопроводными оболочками в каналах: 1 - матрица,
2,3 - подводящий и отводящий каналы; I - теплоноситель
Как видно из рис. 1.46, пористая матрица ! заполняет зазор между стенками, образуя два диаметрально противоположных канала 3, 3 для продольного подвода и отвода теплоносителя I. Здесь реализуется сто продольно- поперечное движение: продольное - в подводящем 2 и отводящем 3 каналах; поперечное - сквозь матрицу 1 в окружном направлении.
На рис. 1.4в пористая матрица 1 также заполняет пространство между двумя оболочками, но продольные подводящие 2 и отводящие 3 каналы расположены равномерно по окружности и примыкают к стенкам. Поперечное течение теплоносителя 1 сквозь матрицу осуществляется в радиальном направлении, что позволяет снизить затраты мощности на его прокачку. Интересно отмстить, что здесь проницаемый каркас может передавать значительные механические усилия ог внутренней трубы к внешней. Ксли внутренняя стенка является оболочкой твэла, то это позволяет полностью разгрузить се от давления газообразных продуктов деления и изготовить предельно тонкой. Конструкцию, представленную на рис. 1.4в. можно использовать для охлаждения элементов, подверженных воздействию больших механических нагрузок, например, подшипников.
Для упрощения изготовления значительных по размерам устройств ПТЭ предложено собирать их из отдельных модулей. Последние состоят из трубы, окруженной слоем проницаемой матрицы, и имеют такой контур, что могут плотно монтироваться вместе в теплообменник желаемой формы.
Наибольшие распространение для технологических СО;-лазеров получили металлические зеркала с системами активного (вынужденного) охлаждения многоканального типа (рис. 1.5). Простейшие конструкции таких зеркал схематично показаны на рис. 1.6.. Применяют сетчатые металлы и структуры в виде спеченных порошков, сеток, порометаллов и т.п. [1, 2, 3] Поперечные размеры каналов в рассмотренных системах охлаждения могут быть от долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от мощности и назначения установки.
9
I
Рис. 1.5. Схема охлаждаемого зеркала:
I - отражающая пластина, 2 - охлаждаемый слой с микрока-пальной (пористой) структурой, 3 - жесткая основа
/О У
О £> о о
/
Рис. 1.6. Схемы многоканальных систем охлаждения лазерных зеркал: а - трубчатая, б - щелевая, в - щеточная, г, д - вафельные с коридорным и шахматным расположением шипов, е - струйная
ю
Литературный анализ показал, что работа по исследованию теплогидравлических характеристик с различными типами пористых интененфикато-ров полностью не завершена. Основные работы по данному направлению ведутся с целью получения единых универсальных зависимостей для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления в канатах с пористыми ин-тенсифмкаторами, а также универсальной взаимосвязи гидравлического сопротивления и теплоотдачи.. Другим основным направлением является поиск оптимального способа применения пористых интенсифицирующих материалов, обеспечивающих максимальный уровень теплообмена при достаточно низком уровне гидравлического сопротивления.
Анализ литературы показал, что для уменьшения потерь давления в канатах с пористыми вставками могут применяться следующие способы:
- использование пористых вставок с переменной пористостью или удельной поверхностью;
- дискретная установка пористых вставок и межканальное движение теплоносителя;
- уменьшение сопротивления пористых вставок за счёт наличия в них отверстий различных форм и расположении;
- изменения структуры каркаса пористого образца;
- использование пористых вставок в качестве поверхностных слоев.
Однако на сегодняшний день изучен лишь небольшой класс из перечисленных способов уменьшения гидравлического сопротивления в каналах с пористыми вставками. Наиболее полно проведены исследования при меж-канальном движении теплоносителя. Имеются результаты первых опытов по исследованию уменьшения сопротивления пористых вставок за счёт наличия в них отверстий различных форм и расположении и использовании пористых вставок в качестве поверхностных слоев.
На основании проведенного обзора работ по исследованию пористых интеисификатороп теплообмена можно наметить основную цель настоящей работы:
II
разработка методики выбора аффективной схемы пористых интенснфикаго-рон теплообмена для систем охлаждения энергетических установок, характс-ризующихся максимальной энергетической эФФектннн остью.
Достижение указанной цели достигается путем решения следующих основных задач:
1. Установление механизмов переноса и исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в каналах с пористыми вставками различных конфигураций, обеспечивающих минимальный уровень гидропотерь при сохранении высокого уровня теплообмена.
2. Установление и математическое описание влияния основных режимных и конструктивных параметров на гидравлическое сопротивление, режимы течения и теплоотдачу. Получение и апробация обобщенных регрессионных соотношений.
3. Разработка методики выбора аффективного способа интенсификации теплообмена с помощью пористых вставок, конфигурации пористой вставки, характеризующихся максимальным значением энергетической эффективности.
Для достижения поставленных задач необходимо решить ряд следующих второстепенных задач:
1. Спроектировать, изготовить, смонтировать и отладить экспериментальный стенд по исследованию теплогидравлических характеристик каналов с пористыми элементами.
2. Разработать методику проведения экспериментов, измерений и обработки опытных данных.
3. Провести экспериментальные исследования теплогидравлических характеристик каналов с пористыми вставками различной конфигурации.
4. Провести расчеты по инженерной оптимизации параметров системы пористого конвективного охлаждения энергетической установки.
12
Вес поставленные задачи работы были выполнены.
В ходе выполнения работы:
1. Получены новые экспериментальные данные по течению и теплообмену в канатах с пористыми интенсификаторами теплообмена из ВПЯМ различной конфигурации, отличающиеся пониженным уровнем гидравлического сопротивления - поверхностные пористые слои, дискретная установка пористых вставок, полная и частичная межканальная транспирация;
2. Уточнены регрессионные уравнения для расчета средней теплоотдачи в каналах с вставками из ВПЯМ в виде поверхностных слоев, справедливые в диапазоне изменения определяющих параметров:
Ке = 10? — 2.5 • 106. П - 0,83 - 0,97, <\п/О = 0,03 - 0.4. Рг = 0,7-8.
Л.ДС =23-14800, Ь/И = 1-12.
3. Установлено, что использование частичной межканальной транспирации позволяет сохранить средний эффективный теплоотдачи в канале с пористыми вставками из В11ЯМ при уменьшении гидравлического сопротивления от 2 до 3 раз в зависимости от пористости вставок в исследованном диапазоне определяющих параметров;
4. Выявлена и математически описана закономерность затухания ту рбулентности за пористыми турбулизаторами из ВПЯМ пористостью 0,8 до 0.97 и диаметром пор от 0,6 до 4,0 мм при числах Рейнольдса Яе = 5000-40000.
5. Разработана методика расчета эффективных теплообменных элементов на основе ВПЯМ различной конфигу рации.
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:
- экспериментально исследованы параметры потока в каналах с вставками из высокопорнстого ячеистого материала различной конфигурации;
- экспериментально исследованы теплоотдача и гидросопротивление в канатах с пористыми интенсификаторами сложной конфигурации;
13
- установлено и математически описано влияние на теплоотдачу и гидросопротивление в каналах с пористыми поверхностными слоями и частичной межканальной транспирацией различных конструктивных и режимных параметров, получены соответствующие регрессионные соотношения;
- разработана и апробирована методика выбора и расчета наиболее энергоэффективной схемы пористого теплообменного элемента.
При этом достоверность научных результатов определяется:
- использованием измерительной техники с необходимыми метрологическими характеристиками и апробированных методик обработки и обобщения опытных данных;
- оценкой ожидаемой погрешности экспериментов;
- удовлетворительным согласованием результатов тестовых опытов и литературных данных.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что разработанная в диссертационной работе методика расчета различных схем пористых теплообменных элементов (на основе высокопористого ячеистого материала), а также полученные экспериментальные данные по гидродинамике и теплоотдаче в каналах е различными порист ыми вставками позволяют определять наиболее энергоэффективные схемы пористых теилообменных элементов и прогнозировать их теплогидравлические характеристики.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на 12-ом Межвузовском научно-практическом семинаре «Внутрнкамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 2000
г.), II Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2001г.), Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001 г.):, XXVI Сибирском теплофизическом семинаре. (Новосибирск, 2002 г.) II и III школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2000,
2002 г.), научно-технических семинарах 1руппы «Интеграция», научно-
14
технических семинарах кафедры «Теоретические основы теплотехники» КГТУ им.А.Н.Туполева. Материалы приняты для устного доклада на 3-ей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002г.).
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Работа выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева под руководством д.т.н., профессора Гортышова Ю.Ф.
Автор выражает глубокую благодарность руководителю, д.т.н., профессору Гортышову Ю.Ф., своему научному консультанту , к.т.и., доценту Попову И.А. и всему коллективу кафедры теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева за поддержку и помощь при проведении работ.
15
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ В КАНАЛАХ С ПОРИСТЫМИ ИНТЕНСИ-
ФИКАТОРАМИ ТЕПЛООБМЕНА
1.1. Пористые материалы. Особенности течения и теплообмена
Разработка конструкций теплообменных элементов возможна только при использовании наиболее оптимальных материалов и при использовании всех современных технологических возможностей.
Наиболее перспективным материалом для изготовления габаритных облегченных теплонагруженных элементов является пороматериал. Особенности структуры и технологии изготовления, детерминировавшие уникальный комплекс физико-механических свойств пороматериалов, позволяют использовать их во многих отраслях науки и техники. Технология изготовления пороматериалов на сегодняшний день позволяет получать образцы из различных металлов и их сплавов с размерами ячеек от десятков микрон до десятком миллиметров, пористостью вплоть до 99%. При этом наблюдается высокая степень однородности характеристик материала по объему образцов.
Основные свойства пористых материалов определяются их пространственной структурой и химическим строением матрицы. Величина пористости, распределение размеров пор, распределение пор в пространстве и их форма обусловливают такие важнейшие свойства, как прочность, электро- и теплопроводность, гидравлическая прочность, фильтрационные характеристики и г.д.
Пороматериал имеет характерную сетчато-ячеистую структуру (рис.
1.7).
16
- Київ+380960830922