Актуальность темы
.
Технический прогресс в области теплообмена требует постоянных усилий по повышению интенсивности теплоотдачи элементов энергетических систем. Одним из эффективных средств интенсификации теплообмена являются пористые материалы, нашедшие применение в системах охлаждения теплонапряженных узлов ракетных и газотурбинных двигателей, ядерных реакторов, зеркал мощных лазеров и др. Исследованиям теплогидродинамиче-ских характеристик пористых структур посвящены труды таких ученых, как Полежаев Ю. В., Зейгарник Ю. А., Белов C.B., Гольдштик М. А., Андриевский P.A., Леонтьев А. И., Поляков А. Ф., Поляев В. М., Майоров В. А., Субботин В. И., Харитонов В. В., Плаксеев A.A., Селиверстов Е. М, Гортышов Ю. Ф., Попов И. А. и др.
К настоящему времени пористые материалы пока не нашли широкого применения в качестве интенсификаторов теплообмена в рекуперативных теплообменниках. Одной из причин, сдерживающих применение пористых материалов в теплообменных аппаратах, является большое расхождение литературных данных о теплогидродинамических характеристиках пористых материалов. В свою очередь, расхождение данных о теплогидродинамических характеристиках обусловлено такими обстоятельствами, как большое разнообразие структур пористых материалов, использование разными исследователями различных параметров, характеризующих геометрические свойства пористой структуры, и сложность математического описания тепловых процессов в пористой среде, охлаждаемой или нагреваемой теплоносителем.
Из всего разнообразия пористых структур в качестве интенсификаторов теплообмена в рекуперативных теплообменниках наиболее интересен высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ), разработанный в Научном центре порошкового материаловедения (ПГТУ, г. Пермь) под руководством академика РАН В. Н. Анциферова. Достоинствами ВПЯМ являются достаточно однородная структура и высокая пористость, достигающая 96.97%, благодаря чему пористый материал характеризуется сравнительно невысоким гидродинамическим сопротивлением, развитой поверхностью теплообмена и высокой теплоотдачей.
Исследования, выполненные в КГТУ им. А. Н. Туполева под руководством проф. Ю. Ф. Гортышова, показали, что и для ВПЯМ проблема расхождения экспериментальных данных по теплогидродинамическим характеристикам остается актуальной.
Решение проблемы расхождения экспериментальных данных по тепло-гидродинамическим характеристикам или, другими словами, проблемы обобщения данных по теплоотдаче и сопротивлению ВПЯМ, требует, с одной стороны, однозначного описания геометрической структуры пористости, т. е. построение геометрической модели ВПЯМ, а с другой — адекватного описания тепловых процессов в пористом теле, охлаждаемом (нагреваемом) теп л оносител ем.
Цель работы: получить универсальные критериальные уравнения, обобщающие теплообмен и гидродинамическое сопротивление в ВПЯМ с различными геометрическими характеристиками.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Построить математическую модель геометрической структуры, и разработать методику оценки геометрических характеристик ВПЯМ.
2. Построить модель теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в ВПЯМ.
3. Построить уточненную математическую модель тепловых процессов в цилиндрическом пористом теле, нагреваемом от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем.
4. Разработать методику исследования теплоотдачи в пористом цилиндре, охлаждаемом однофазным теплоносителем, на базе построенных математических моделей геометрической структуры, теплофизических свойств и тепловых процессов.
5. Спроектировать, изготовить и отладить экспериментальный стенд для исследования теплогидродинамических характеристик ВПЯМ.
6. Провести экспериментальные исследования нескольких образцов ВПЯМ.
7. Произвести поиск группы геометрических параметров пористости, наилучшим образом обобщающей полученные результаты по теплоотдаче и сопротивлению всех исследованных образцов.
8. Обобщить полученные результаты исследований теплоотдачи и сопротивления ВПЯМ универсальными критериальными уравнениями.
Научная новизна:
1. Создана методика исследования теплоотдачи в пористом цилиндре.
2. Построена геометрическая модель ВПЯМ.
3. Разработана модель теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в ВПЯМ.
4. Аналитически решена сопряженная двумерная стационарная задача теплообмена каркаса цилиндрического пористого тела, нагреваемого от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем.
5. Выявлена автомодельность теплосъема пористого тела при большой длине тела.
6. Получены экспериментально установленные универсальные закономерности по теплоотдаче и сопротивлению образцов ВПЯМ.
Методы исследования:
— геометрический метод определения пористости, просветности, удельной поверхности, эквивалентных диаметров каналов и перемычек ВПЯМ;
— метод конечных интегральных преобразований Фурье-Ханкеля для аналитического решения краевых задач теплопроводности каркаса и потока теплоносителя;
— метод наименьших квадратов для аппроксимации зависимости опытных значений температур поверхности каркаса от продольной координаты;
— метод Гаусса с выбором главного элемента для получения обобщенных критериальных уравнений теплоотдачи и гидродинамического сопротивления исследованных образцов ВПЯМ;
— экспериментальный метод исследования теплоотдачи и гидродинамического сопротивления пористого цилиндра.
Достоверность и обоснованность результатов.
Адекватность геометрической и теплофизической моделей и модели тепловых процессов в высокопористых средах проверена путем сопоставления распределения по радиусу расчетных и опытных значений температур теплоносителя и применением аттестованной измерительной аппаратуры. Адекватность методики исследования теплогидродинамических характеристик проверена на тестовой задаче и подтверждена удовлетворительным согласием полученных результатов по теплоотдаче и сопротивлению ВПЯМ с литературными данными и оценкой погрешностей измерения.
Практическая ценность.
Разработанные модели геометрической структуры ВПЯМ, теплофизиче-ских свойств каркаса и теплоносителя, тепловых процессов в пористых цилиндрах, охлаждаемых (нагреваемых) однофазным теплоносителем, позволяют выбирать структуру с требуемыми характеристиками для теплообмен-ной аппаратуры.
Результаты работы используются в научных исследованиях Академ-энерго КазНЦ РАН.
Полученные результаты по теплоотдаче и гидродинамическому сопротивлению ВПЯМ предлагаются к использованию для расчета и проектирования различных теплообменных систем в ЗАО НИИ «Турбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа», КГТУ им. А. Н. Туполева, КГЭУ и др.
Автор защищает:
— геометрическую модель ВПЯМ;
— модель теплофизических свойств каркаса и теплоносителя в ВПЯМ;
— аналитическое решение сопряженной двумерной стационарной задачи теплообмена каркаса цилиндрического пористого тела, нагреваемого от внешнего нагревателя, с однофазным теплоносителем;
— методику исследования теплоотдачи в пористом цилиндре, нагреваемом от внешнего нагревателя;
— результаты экспериментальных исследований теплоотдачи и гидродинамического сопротивления ВПЯМ.
Личное участие:
Основные результаты работы получены автором лично под руководством научного руководителя.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы были доложены на научно-технических конференциях и семинарах:
1. Научные семинары, проводимые в Исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН, Казань, 2009;20 Юг.
2. ХУП-я Международная молодежная научная конференция «Тупо-левские чтения», Казань, 26−28 мая 2009 г.
3. X Всероссийская молодёжная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС), Екатеринбург, 9−15 ноября 2009 г.
4. X Международный симпозиум «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 1−3 декабря 2009 г.
5. Аспирантско-магистерский семинар, посвященный Дню энергетика. Секция АТПП. Направление: Теплоэнергетика. Казань, КГЭУ, 2009 г.
6. Итоговая научная конференция за 2009 год Казанского научного центра РАН, Казань, 2010.
7. V Международная молодежная научная конференция «Тинчурин-ские чтения». Казань, 28−29 апреля 2010 г.
8. VII школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова. Казань, 15−17 сентября 2010 г.
9. Пятая Российская национальная конференция по теплообмену РНКТ-5. Москва, 25−29 октября 2010 г.
Публикации:
По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, из них 2 статьи в журналах перечня ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация объемом 127 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Рисунков — 44, таблиц — 9, библиографический список содержит 90 наименований.
Выводы по главе 4.
1. Обоснован выбор относительной доли поперечного сечения, свободной от перемычек каркаса, 1-вск в качестве расчетной пористости £р при определении расчетной скорости потока в пористом теле, т. е. ер = 1 — еск.
2. Адекватность построенных моделей подтверждена удовлетворительным совпадением расчетных значений температур воздушного потока на выходе из пористого цилиндра с их опытными значениями.
3. Установлено, что при фиксированном расходе теплоносителя и температуры стенки, начиная с некоторой предельной длины пористого тела, наступает режим автомодельности, при котором тепловая нагрузка достигает наибольшего значения Qma¦)i и перестает зависеть от длины тела. В свою очередь, величины предельной длины и <2тах с увеличением расхода теплоносителя растет.
4. Проведены экспериментальные исследования теплоотдачи и гидродинамического сопротивления трех образцов из ВПЯМ. Полученные результаты по.
4.5). теплоотдаче аппроксимированы уравнениями (4.3)-(4.5) и уравнениями (4.10)-(4.12) — по сопротивлению.
5. Произведен поиск группы геометрических параметров пористости, наилучшим образом обобщающей полученные результаты по теплоотдаче и сопротивлению всех исследованных образцов. Из рассмотренных двух групп: с13 с1ск/сiэ, £у и, более приемлемой признана последняя.
6. В результате обобщения полученных результатов по теплоотдаче получено критериальное уравнение, которое описывает механизм теплообмена в ВПЯМ как совокупность двух процессов: теплообмена при турбулентном режиме в каналах диаметром ¿-/э и теплообмена при ламинарном обтекании перемычек каркаса диаметром с1ск: 0,047 Ле82 Рг°'4(Ргг/Рг")°'25, применимого в области значений: 2−102 < Яе^ < З’Ю3- 7 < Яеёск< 220- 4,3 < < 5,4. Среднее квадратическое отклонение опытных данных от полученного критериального уравнения составило 10%.
7. Результаты исследований гидродинамического сопротивления образцов ВПЯМ со средним квадратическим отклонением менее 10% обобщены критериальным уравнением: 2455(1 + 37,8/Б^ с1ск /¿-э)0'58 (/^сф)" 3'4 в той же области значений Яе^, Яе^ и /№б/сф, а также 7 < с13/<�Лск < 30.
