Исследование теплообменных поверхностей с использованием анизотропно-пористых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Стрельчук, Руслан Олегович

• Стрельчук, Руслан Олегович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стрельчук, Руслан Олегович

Основные условные обозначения.

Введение.

1. АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ ВОЗМОЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

АНИЗОТРОПНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ (АПМ).

Выводы по первой главе.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗ АПМ.

2.1. Экспериментальная установка для исследований в режиме вынужденной конвекции.

2.2. Определение геометрических параметров исследуемых поверхностей теплообмена.

2.3. Экспериментальная установка для исследований в режиме естественной конвекции.

2.4. Методика теплотехнических испытаний.

2.5. Разработка и изготовление экспериментальных образцов отопительных конвекторов.

2.6. Проведение теплотехнических испытаний.

2.7. Обработка результатов испытаний и сравнительные характеристики конвекторов.

Выводы по второй главе.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПМ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ.

3.1. Теплотехнические и аэродинамические результаты испытаний.

3.2. Сравнительная анализ применения поверхностей из АПМ в теплообменниках типа «вода- воздух».

Выводы по третьей главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО И ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПМ В КОНСТРУКЦИЯХ ГРАДИРЕН.

4.1. Показатели использования оборотной воды на предприятиях.

4.2. Системы охлаждения оборотной воды.

4.3. Классификация и основные типы водоохладителей.

4.4. Градирни с теплообменной поверхностью с АПМ.

4.5. Теоретические аспекты ожидаемых теплотехнических и аэродинамических показателей градирен с элементами из АПМ.

4.6. Определение области эффективного применения теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование теплообменных поверхностей с использованием анизотропно-пористых материалов»

В - институте проблем материаловедения АН Украины разработан метод получения анизотропно-пористых материалов (АПМ) в виде стержней, труб, профилей различного сечения, имеющих сквозные каналы. Метод позволяет получать изделия-длиной от нескольких миллиметров до 1-2 метров и диаметром от долей миллиметра до десятков миллиметров. Сквозные каналы ориентированы вдоль оси изделия, их диаметр может варьировать от десятков микрометров до десятков миллиметров, количество каналов может изменяться от одного до нескольких тысяч, общая пористость материала может составлять до 70 -т- 80%. Метод прост, технологичен, экономичен, осуществляется при помощи стандартного оборудования для обработки давлением [37].

Отличительными особенностями указанных материалов являются ориентированная структура пор (каналов), постоянство их размеров, возможность получения^ изделий с большим отношением длины к диаметру, распределение каналов по сечению в требуемом порядке. Большой практический интерес представляет использование АПМ в качестве теплообменных поверхностей в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах как вынужденной так и естественной конвекции, в частности, в теплообменных устройствах систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, утилизаторов и градирен. Поэтому исследования по определению теплотехнических характеристик теплообменных поверхностей из АПМ являются актуальными [44].

Предварительные исследования показали, что применение в качестве те-плообменной поверхности элементов из АПМ позволяет увеличить коэффициент теплопередачи в 1,5-2 раза и значительно повысить компактность теплообменников [36].

Объектом исследования являются теплообменные аппараты (ТА).

Предметом исследования - теплообменные поверхности из анизотропно-пористых материалов < (АПМ).

Цель исследования: определить теплотехнические и аэродинамические показатели теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах вынужденной и естественной конвекции.

Для реализации этой цели решались следующие задачи:

- теоретически;обосновать общий вид уравнениятеплообмена в ТА;

- проведение теплотехнических и аэродинамических исследований теплооб-менных поверхностей из АПМ в теплообменниках типа «вода-воздух» в режиме вынужденной« и естественной^ конвекции и: определения влияния на теплотехнические и аэродинамические характеристики геометрических параметров» поверхностей ТА;

- получить критериальные уравнения; описывающие закономерности тепло-передачиштеплообменных элементах;

- теоретическиш экспериментально определить гидравлические потери давления в ТА;

- разработать методику инженерного расчета ТА.

Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась в; рамках целевой комплексной программы «Нефть и; газ Западной? Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области».

Методы? исследований; Физическое И' математическое моделирование физических, процессов, системный подход и оптимизация; методы аналитического исследования функций; многовариантные расчеты.

Достоверность и' обоснованность: основные положения и выводы работы обоснованы теоретическими решениями, полученными с использованием методов математического анализа на основе известных физических законов теплопередачи. Кроме того,, в работе использованы методы*математического моделирования; основанные на использовании строгого математического аппарата; а полученные результаты; сопоставлялись с известными результатами теоретических и экспериментальных исследований; На защиту выносятся:

- математическая модель взаимодействия теплоносителей в ТА из АПМ;

- критериальные; уравнения; полученные по теории подобия для определения коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления ТА из АПМ;

- методика инженерного расчета ТА из АПМ

Научная новизна диссертации заключается в следующем: на основе теоретических и экспериментальных исследований получены критериальные уравнения теплопередачи и аэродинамического сопротивления в ТА из АПМ, на их основе разработана методика инженерного расчета ТА из АПМ, которую можно использовать при разработке и изготовлении теплообменных устройств» для санитарно-технических систем, в частности воздухонагревателей, воздухоохладителей, теплоутилизаторов и др.

Практическое значение и реализация работьрсостоит в том, что разработанные теоретические и методические основы расчета ТА из АПМ внедрены в проектных организациях и используются в учебном процессе.

Апробация работы: Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и Всероссийских конференциях в: СПбГПУ, ВГАСУ, ТюмГАСУ, итоговой годовой конференции РААСН. Результаты работы докладывались на кафедре ТГВ ТюмГАСУ.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

Личный вклад автора заключается в разработке и оборудовании специальных стендов для проведения экспериментальных исследований теплообменников, позволяющих получать сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов. Предложена методика расчета геометрических характеристик тепло-обменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности. На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости, на основании которых можно рассчитывать теплопередачу и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред.

Структурами«объем работы. Диссертационная^работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 55 наименований и содержит 105 страниц текста, включая 5 таблиц и 61 иллюстрацию, а также приложения.

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Стрельчук, Руслан Олегович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе исследован новый вид теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала.

Для' проведения! исследований разработаны и оборудованы специальные стенды, разработаны и изготовлены экспериментальные теплообменники позволяющие получать, сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов;

Предложена методика расчета геометрических характеристик теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности.

На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости на основании которых можно рассчитывать теплопередачу и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими^ характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред.

Исследования теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволили установить что: а) теплоаэродинамические характеристики теплообменных элементов из АПМ в большой степени зависят от таких геометрических параметров как: длины и диаметра единичного канала; наружного диаметра элемента б) при оптимальных геометрических параметрах теплообменная поверхность из АПМ обладает более высокой тепловой эффективностью по сравнению с традиционно применяемыми; в) теплообменные поверхности из АПМ можно успешно использовать для работки и изготовления различных теплообменных устройств, в частности: воздухонагревателей, воздухоохладителей, утилизаторов и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стрельчук, Руслан Олегович, 2008 год

1. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. -М.: Энергия; 1966. -182с.

2. Антуфьев В.М:. Сравнительные исследования конвективных поверхностей на основе энергетических характеристик. -М.: Энергомашиностроение, № 5, 1964.

3. Антуфьев В.М. Сравнительные исследования теплоотдачи и сопротивления ребристых поверхностей. -М.: Энергомашиностроение, № -2, 1961.

4. Антуфьев В.М. Экспериментальное исследование влияния, температурного фактора на теплообмен при поперечном обтекании пучков труб/ Известия вузов, Машиностроение, № 10, 1962.

5. М; Антуфьев; Влияние температурных условий потока и стенки на теплообмен при поперечном-омывании пучков труб капельной жидкостью. Инженерно-физический журнал, №-7, 1961.

6. Бажан П.И., Каневец Г.М., СеливерстовВ.М! Справочник по теплообменным аппаратам. -М.: Машиностроение, 1989. -366с.

7. Бакластов A.Mi, Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. -М.: Энергоиздат, 1981. -336с.

8. Берман С.С. Расчет теплообменных аппаратов турбоустановок. -М.; JL: Гос-энергоиздат,1962. -240с.

9. Воронин Г. И., Дубровский Е. В. Эффективные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973. -96с.

10. Ю.Вегер Л. JI. Экономика научных исследований.-М.: Наука, 1981. -191с. П.Геращенко О. А. Основы теплометрии. Киев, "Наукова думка", 1971.

11. Григорьев В. А., Зорин В.М. Тепловые и атомные электрические станции; Книга: 3. Mr. Энергоиздат, 1982. С 560-566.

12. Гейштовт М. А., Бережинский Р. А. Эмпирические зависимости для расчета теплопередачи через оребренную стенку. . -М.: Теплоэнергетика, 1968, № 1. С. 73-75.

13. Дрейцер Г.А., Калинин Э.К. Исследование интенсификации теплообмена впродольно омываемом воздухом тесном пучке труб.- ИФЖ, 1968, т. 15, №3. С. 408-415.

14. Жукаускас А., Улинскас Р., Катинас В. Гидродинамика и вибрация обтекаемых пучков труб. -Вильнюс: Мскслас, 1984. -312 с.

15. Исаченко В: П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача.- М.: Энерго-издат, 1981. -417с.

16. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Козлов А. К. Исследование интенсификации теплообмена в продольно омываемых пучках труб с различными относительными шагами. ИФЖ, 1972, т. 22, №2, С. 242-247.

17. Калинин Э.К., Дрейцер Г.Д., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1972. -220с.

18. Кошкин В.К., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители. М., Машиностроение, 1972. -200с.i

19. Красношеков Е.А. Сукомел A.C. Задачник по теплопередаче. -М.: Энергия, 1980.-288с.21 .Кутателадзе С.С. Теплопередача и« гидравлическое сопротивление. Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 367с.

20. Кунтыш В. Б., Иохведов Ф. М. Влияние относительной глубины межреберной полости на тепловую эффективность, конвективный теплообмен пучков ребристых труб и интенсификация теплоотдачи в них. -Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1970, № 4, С. 127-136.

21. Кутателадзе С. G, Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. -М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959. -414 с.

22. Лойцянский Л; Г. Ламинарный^ пограничный слой. М.: Физматгиз, 1962. -479 с.

23. Макаров В.И., Беличенко Ю.П.1 Рациональное исаользование и очистка воды на машиностроительных предприятиях. -Mi: Машиностроение,19881 272с.

24. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М.: Энергия, 1973. -319с.

25. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. -Л:1. Энергия, 1980. -144с.

26. Повышение эффективности и надежности теплообменных аппаратов-паротурбинных установок: Учебное пособие / Ю.-М. Бродов, К.Э. Арснсон, Г.Д. Бухман и др. Екатеринбург УГТУ, 1996. -298 с.

27. Пермяков В.А. Левин Е.С., Дивовы Г.В. Теплообменники вязких жидкостей применяемые на электростанциях. -Л: Энергоатомиздат, 1983. -175 с.

28. Ройзен Л.И1, Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей/ Под ред. В.Г. Фастовского. -М: Энергия, 1977. 256с.

29. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. -М.: Энергоатомиздат, 1982. -360с.

30. Стрельчук P.O. Энергосберегающие теплообменники с использованием анизотропно-пористых материалов/ А.Ф. Шаповал, Б.В. Моисеев, К.Н. Илюхин,

31. Н.В. Налобин, P.O. Стрельчук // Сб. тр. первой международной НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Том1. -СПб, Политехнический университет, 2005. -С. 160-161.

32. Стрельчук P.O. Исследование области эффективного применения' теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала / А.Ф. Шаповал, Б.В: Моисеев, К.Н. Илюхин, P.O. Стрельчук // Изв. вузов. Строительство. -2008. №1. -С.62-65.

33. Свешников А. А. Основы теории ошибок. JL Из-во Ленинградского университета, 1972.-122с.

34. Степанов.О.А., Моисеев Б.В., Хоперский*Г.Г. Теплоснабжение на насосных станциях нефтепроводов: Учебное пособие. М.': Недра, 1998. —302с.

35. Соколов Ю.'В., Стрельчук О.Б. Воздухонагреватели из элементов с продольными ориентированными каналами ж. "Водоснабжение и санитарная техника", №2, М., 1988.

36. Справочник по теплообменникам : В 2т. /Пер. с англ. под ред. В. С. Петухо-ва, В. К. Шилова. М., Энергоиздат, 1987.

37. Стрельчук О. Б., Соколов Ю. В., Манусов Е. Т. Оценка теплотехнических и аэродинамических характеристик теплообменных поверхностей из анизотропно-пористых материалов.// Вентиляция и кондиционирование воздуха.- Рига: Риж. политехи, ин-т, 1988.

38. Исследование возможности и экономической целесообразности создания,те-плоутилизаторов на основе поверхности с ориентированными внутренними каналами и наружным оребрением. Научно-исследовательский отчет. ВНИИГС ММСС СССР, Ленинград-Киев, 1986.

39. О. Б. Отрельчук, Д. Н. Борченко, Ю. В. Соколов и др. Исследование воздухонагревателей из многоканальных труб/ Энергосберегающие индустриальные системы теплоснабжения и вентиляции: Сб. науч. тр. ВНИИГС, Л;, 1988.

40. Соколов Ю.В., Стрельчук О.Б. Воздухонагреватели из элементов с продольными ориентированными каналами ж. "Водоснабжение и санитарная техника", №2, М., 1988.

41. Теплообменные аппараты из профильных листов. В.М. Антуфьев, В: В. Ивахненко и др.-Л.: Энергия, 1972. -127с.

42. Bondurant D. L., Westwater J. W. Performance of transverse fins for boiling heat transfer. Chem. Engng. Progress, Symp. Ser., 1971, v. 67, №113, p. 30-37.

43. Tsubouchi T., Masuda H. Naturalr convection heat transfer from horizontal cylinders with circular fins. In.: Heat Transfer. 1974, Tokio. NC 1.10.

44. Littlefield J.M., Cox j.e. Optimization of Annular Fins on a Horizontal Tube. -Warme- und Stoffbertragund, 1974, Bd.7, №2, S . 87-93.