Исследование течения и теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах при низких числах Рейнольдса

ВВЕДЕІ-ІИВ......................................................................................З
Глава первая. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИСКОВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ
ВВЕДЕНИЕ.........................:..................................................... 13
1.1. Насосы трения.......................................................................15
1.2. Центробежные дисковые вентиляторы...................................................16
1.3. Диаметральные дисковые вентиляторы..................................................23
1.4. Постановка задачи. Цель работы......................................................28
Глава вторая. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСХОДНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДИСКОВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ ПРИ НИЗКИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА.
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................31
2.1. Предварительные расчеты.............................................................34
2.2. Экспериментальная установка, постановка эксперимента, методики исследования.........37
2.3. Результаты экспериментов............................................................39
2.4. Обобщение экспериментальных данных..................................................42
2.4.1. Параметры обобщения............................................................42
2.4.2. Сравнение характеристик диаметрального и центробежною дисковых вентиляторов....46
2.4.3. Влияние основных параметров на характеристики ДДВ..............................50
2.4.3.1. Влияние высоты выходного канала...........................................50
2.4.3.2. Влияние безразмерного радиуса диска /V Яг.................................51
2.4.3.3. Влияние величины междискового зазора Ь и зазора до обечайки </............53
2.4.3.4. Влияние низкого давления на распределение скорости потока но длине
разрядной камеры.............55
2.4.3.5. Влияние величины числа Ясь................................................56
2.5. Возможные пути преодоления кризиса расхода..........................................57
2.5.1. Гребенка между дисками.........................................................58
2.5.2. Лопатки на дисках..............................................................62
2.5.3. Сравнение расходных характеристик лопаточных и безлоиагочных роторов...........63
2.5.4. Влияние угла наклона лопаток на расходные характеристики.......................65
2.5.5. Сравнение гладких дисков, гребенки и лопаток...................................66
2.6. Получение эмпирических формул расхода...............................................67
2.7. Исследование ноля скоростей газового потока в области разрядной камеры ССЬ-лазера...76
2.7.1. Течение газа н газодинамическом контуре лазера при атмосферном давлении........76
2.7.1.1. Профили скорости в разных сечениях при разных режимах работы..............77
2.7.2. Течение газа в газодинамическом контуре лазера при низком давлении.................80
2.7.3. Одновременная работа двух ротороз и одном замкнутом контуре....................81
ВЫВОДЫ...................................................................................87
Глава третья. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ДДВ.
ВВЕДЕНИЕ :...............................................................................•..............................................................................89
3.1. Описание устройства газодинамического контура лазера................................92
3.2.1 Ірсдварительньїс расчеты теплообмена для дискового вентилятора.....................94
3.3. Результаты экспериментов но исследованию дискового вентилятора......................99
3.4. Исследование тепловой однородности потока..........................................100
3.5. Энергетические характеристики лазера...............................................106
ВЫВОДЫ..................................................................................107
Глава четвертая. ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ.
ВВЕДЕНИЕ................................................................................109
4.1. Расчет параметров опытной установки................................................109
4.2. Конструктивные особенности опытной установки.......................................111
4.3. Лабораторные испытания установки. Сопоставление результатов с расчетом.............116
ВЫВОДЫ..................................................................................117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................118
СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................120
ВВЕДЕНИЕ
Дисковые вентиляторы для перекачивания газов, которые можно отнести к машинам трения, отличаются от традиционных центробежных и осевых вентиляторов, которые относятся к машинам динамического действия, тем, что в них газ или жидкость перекачивается благодаря силе вязкою трения. Если в традиционных вентиляторах проявление сил вязкого трения перекачиваемой среды о поверхности крыльчаток и лопастей является отрицательным фактором, то в дисковых вентиляторах, наоборот, среда захватывается дисками, фиксируется в междисковом пространстве, и вовлекается во вращательное движение благодаря вязкому трешно. Возникающая при этом центробежная сила обеспечивает транспортировку газа или жидкости. Дисковые вентиляторы, отличаются от осевых и центробежных большой устойчивостью работы в сетях с нагрузкой, отсутствием кавитации и малошумностыо. Они имеют относительно большую поверхность рабочего элемента — ротора с дисками, что дает возможность совмещения в одном устройстве нескольких функций, используя процессы, протекающие на границе газа с поверхностью. Например, можно осуществлять одновременно транспортировку газа и теплообмен, транспортировку и конденсацию влаги из газа, транспортировку и химические реакции на поверхности дисков.
Зависимость рабочих характеристик диаметральных дисковых вентиляторов (ДДВ) от основных геометрических и кинематических параметров устройства при атмосферном давлении изучена в настоящее время достаточно хорошо. Настоящая работа посвящена исследованию рабочих характеристик ДДВ при низких числах Рейнольдса и больших температурных напорах с целью получения эмпирических методов расчета важнейших для проектирования характеристик тепло- и массообмепа. Данные условия (низкое давление около 10 торр и температура порядка 3()0°С) характерны для электроразряд-ных проточных С02-лазеров с конвективным охлаждением рабочей среды, в которых и предполагается использовать ДДВ.
В настоящей работе полученные интегральные аэродинамические и теплообменные характеристики диаметральных дисковых вентиляторов - теплообменников использованы при создании ССЬ-лазера большой мощности.
Актуальность темы
В диссертации исследуется работа диаметрального дискового вентилятора как насоса и теплообменника. Результаты исследований нашли свое приложение мри разработке газодинамического контура ССЬ-лазсра большой мощности.
Физические процессы при взаимодействии тлеющего разряда с потоком газа определяют удельные энергетические характеристики, мощность излучения, устойчивость разряда и, как следствие, надежность и практическую значимость создаваемых электроразрядных проточных ССЬ-лазеров е конвективным охлаждением рабочей среды. Для лазеров замкнутого цикла, какими являются технологические ССЬ-лазеры, газодинамические и оптические характеристики определяются эффективностью используемых теплообменных и прокачных устройств. Именно они определяют установившееся распределение скорости потока и ее величину, температуры и избыточного давления, реализуемые в контуре лазера при выделении энергии в разрядной камере, особенно в случае работы при предельных эиерговкладах. Поэтому исследования эффективности используемых теплообменных и прокачных устройств являются актуальными при разработке и создании новых установок.
Использование дискового вентилятора-теплообменника в проточном ССЬ-лазсрс вместо традиционных центробежного вентилятора и пластинчатого теплообменника позволяет уменьшить массогабаритные характерист ики конструкции и повысить скорость потока рабочей среды в разрядной камере лазера, что позволяет увеличить мощность излучения без увеличения размеров разрядной камеры и резонатора лазера.
4
Цели работы:
- Получить экспериментальные данные о процессах массо- и теплообмена н диаметральном дисковом вентиляторе при низких числах Рейнольдса, характерных для ССЬ-лазеров.
Выявить влияние различных геометрических и кинематических параметров вентиляторов на основные параметры его работы при низком давлении.
- Получить количественные данные об интенсивности теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах при давлениях, характерных для ССЬ-лазеров.
- Обобщить результаты экспериментальных исследований в виде критериальных зависимостей для расчета расходных характеристик ДДВ.
- Разработать конструкцию дискового вентилятора-теплообменника и газодинамического контура для С02-лазсра большой мощности.
- Исследовать работу лазера с дисковым нентилятором-теплообмсиииком и оценить его перспективность.
Достовсч)Н()С1ь результатов диссертационной работы определяется использованными экспериментальными методиками и подтверждается воспроизводимостью результатов в многократных экспериментах; удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными, полученными при опытной эксплуатации установок, спроектированных с использованием разработанных методик расчета.
Научная новизна работы и практическая ценность работы заключается в том, что:
- Получены экспериментальные данные о характеристиках процессов тепло- и массообмена в междисковом канале диаметральных дисковых вентиляторов в неисследованных ранее диапазонах давлений и температур.
5
- Впервые обнаружен и исследован эффект кризиса расхода диаметрального дискового вентилятора при низких числах Рейнольдса. Дано объяснение этого эффекта.
- Проведен анализ влияния основных геометрических параметров ДДВ па их расходные характеристики при низком давлении. Даны рекомендации по выбору оптимальных параметров при проектировании подобных установок.
- Разработана эмпирическая методика расчета основных параметров массо-обмена в диаметральных дисковых вентиляторах, необходимая для проектирования таких аппаратов.
- Впервые экспериментально обнаружен эффект тепловой неустойчивости работы диаметрального дискового вентилятора - теплообменника. Показано, что данное явление связано с проявлением струйного характера течения в замкнутом контуре.*
- Рассчитаны характеристики и основные параметры установки для охлаждения газа в ССЬ-лазере, по которым был спроектирован, изготовлен и испытан пилотный вариант мощного С02-лазера.
- Экспериментально получены результаты, свидетельствующие о перспективности применения установок на основе диаметральных дисковых вентиляторов для эффективного охлаждения рабочего газа в ССЬ-лазере.
- Полученные экспериментальные данные и обобщающие формулы могут быть использованы для построения теоретических моделей и при конструировании новых образцов различных устройств с использованием дисковых вентиляторов.
На защиту вынося гея
- Результаты экспериментального исследования характеристик массо- и теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах при низких числах Рейнольдса.
6
- Обнаружение эффекта кризиса расхода при работе диаметрального дисконого вентилятора и объяснение механизма его появления.
- Методика расчета расхода в диаметральных дисковых вентиляторах при низких числах Рейнольдса.
- Обнаружение эффекта тепловой неустойчивости при работе диаметрального дискового вентилятора в замкнутом контуре и объяснение механизма его появления.
- Результаты экспериментального исследования эффективности применения дисковых вентиляторов в качестве теплообменника для эффективного охлаждения рабочего газа в С02-лазере.
- Конструкция газодинамического тракта С02-лазера с дисковым вентилятором-теплообменником.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2004г, 2007г, 2008г.), на XVI Международном симпозиуме: International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers Conference. (Gmunden, Austria, September 4-8, 2006), а также на научных семинарах ИТПМ СО РАН. Опытный образец установки в 2004 году был представлен на промышленной выставке в г. Ганновер (Германия). Получен ПАТЕНТ па изобретение «Проточный газовый лазер». №2270499. Приоритет 21.05.04 г.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 105 наименовании и 92 рисунков. Полный объем диссертационной работы 131 стр.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко анализируется состояние вопроса. Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы. Приводится краткое они-
сан не диссертации но главам, и формулируются основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена описанию дисковых вентиляторов. В ней рассказывается о насосах трения и, в частности, о центробежных и диаметральных дисковых вентиляторах. Описываются история их создания и исследования, принцип действия и отличительные особенности, достоинства и недостатки. В главе говорится об огромном многообразии сфер возможного применения данного типа устройств. Отдельно рассмотрены примеры использования дисковых вентиляторов в качестве вакуумных насосов.
Вторая глава посвящена описанию методики и результатов экспериментального исследования газодинамики течения в диаметральных дисковых вентиляторах в замкнутом контуре при низком давлении. Характерной особенностью этого течения являются отсутствие осевой симметрии и сильное влияние условий на входе - выходе аппарата на его характеристики. Вследствие этого теоретический анализ течения затруднен и в качестве главного средства исследования был выбран эксперимент. Целыо настоящей главы было описание экспериментальных исследований и представление их результаты в виде эмпирических формул для нахождения объемного расхода через аппарат.
Во введении ко второй главе приводится обзор современного состояния исследований течений между вращающимися дисками и обосновывается актуальность исследования и выбор экспериментальных методов.
В главе приведены результаты исследований, проведенных на экспериментальном вакуумном стенде. Приводится описание установки и постановки эксперимента, дается описание методики исследования и приводятся основные соотношения, по которым проводилось обобщение результатов измерений. В ходе выполнения большой программы экспериментов было проведено болсс 300 различных экспериментов с различными конфигурациями вентиляторов. В результате получены зависимости для определения
искомых параметров с точностью, достаточной для инженерного расчета аппаратов.
Описана полученная таким образом эмпирическая методика расчета расхода, необходимая для проектирования аппаратов.
Третья глава посвящена проведению аэродинамических исследований диаметральных дисковых вентиляторов. Исследования показали практическую целесообразность использования ДДВ и определенные преимущества перед другими типами подобных аппаратов. Одной из характерных особенностей диаметральных дисковых вентиляторов является развитая поверхность дисков, что делает перспективным их использование в качестве теплообменников. В данной главе рассказывается об опыте применения ДДВ в качестве вентилятора-теплообменника для электроразрядного СОг-лазера с поперечным разрядом и конвективным охлаждением газа. В отличие от ранее используемых центробежных вентиляторов, ДДВ имеет следующие преимущества:
- сопротивление контура при использовании центробежного вентилятора носит турбулентный характер, что приводит к увеличению газодинамического сопротивления контура и увеличению потерь мощности. ДДВ сохраняют ламинарный режим течения газа в контуре.
- ДДВ одновременно служит для нагнетания газа, теплообмена, и для поворота потока в замкнутом контуре лазера. При использовании центробежного вентилятора приходится использовать три разных устройства, увеличивающие габариты установки и гидравлическое сопротивление газодинамического контура.
Кроме этого, максимальная скорость вращения ротора может составлять 6000 об/мин, что позволяет получать скорость потока в разрядной камере более 100 м/с.
В главе приводится описание устройства лазера с использованием ДДВ. Далее приведены предварительные расчеты теплообмена для ДДВ применительно к ССЬ-лазеру. Показано, что для конфигурации дискового
9
вентилятора, оптимальной с точки зрения газодинамики, снять требуемое количество тепла не удастся, поскольку охлаждающая жидкость прокачивается по относительно тонкому валу и расстояние от холодного вала до горячей кромки дисков слишком велико для эффективного теплообмена. Если попытаться уменьшить расстояние от вала до кромки диска за счет уменьшения внешнего радиуса диска или увеличения радиуса вала Я\, то это приведет к увеличению теплопередачи от дисков к газу, но уменьшает расход газа. Показано, как можно преодолеть это противоречие.
Далее описано исследование тепловой однородности потока вдоль оси ротора. Термопарные измерения показали, что температура после разряда справа и слева сильно отличаются (до 170 °С). Т.е. в разрядной камере возникала тепловая неоднородность потока. Далее было показано, что причиной тепловой неоднородности потока является тепловая неустойчивость. Причиной тепловой неустойчивости является струйный характер течения газа в газовом контуре, когда газ, приведенный в движение вращающимися дискам, движется в направлении параллельном плоскости дисков и, попадая в следующий дисковый вентилятор, нс меняет направления движения. Такой поток, взаимодействуя с электрическим разрядом, порождает тепловую неустойчивость. Любая тепловая неоднородность между струйками тока сохраняется или даже увеличивается, проходя область электрического разряда.
Чтобы преодолеть тепловую неоднородность необходимо ввести перемешивание струек тока, например, использованием жалюзи, меняющих направление потока после разрядной камеры. В результате, удалось добиться однородного потока перед разрядом.
В конце главы обсуждаются ожидаемые энергетические характеристики проектируемого ССЬ-лазера. Показано, что при правильно подобранном составе смеси рабочих газов и скорости по тока газа до 100 м/с, возможно вложить в разряд мощность до 100 кВт и получить мощность излучения на уровне 12-16кВт.
ю