Разработка методов расчётно-экспериментального определения теплогидравлических характеристик пластинчатых и аддитивных теплообменных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Вербанов Иван Сергеевич

• Вербанов Иван Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Вербанов Иван Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПОСВЯЩЕННЫХ ТЕПЛООБМЕННЫМ АППАРАТАМ

1.1 История теплообменных аппаратов

1.1.1 Развитие теплообменников до XX века

1.1.2 Развитие теплообменников в 20 веке

1.1.3 Современные теплообменники, изготавливаемые с

использованием аддитивных технологий

1.2 Теплообменные аппараты авиационных двигателей

1.2.1 Использование теплообменников в авиационных двигателях сложных термодинамических циклов

1.2.2 Использование теплообменников в гиперзвуковой авиации

1.3 Постановка цели и задач исследования

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2. МЕТОД ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЁТА

ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

2.1 Гофрированные теплообменные поверхности

2.1.1 Верификация СБО-модели теплообменного гофрированного канала с прилегающими щелевыми коллекторами по ранее известным результатам

2.1.2 Параметризованная модель конверта гофрированных пластин и гофрированной поверхности

2.1.3 Структуры течения в межгофровом канале при различных углах перекрещивания гофров

2.1.4 Влияние краевых эффектов на теплогидравлические характеристики

2.1.5 Влияние формы входа/выхода в межпластинное пространство гофрового теплообменного аппарата на локальные гидравлические характеристики

2.1.6 Метод наработки критериальных зависимостей путем обработки результатов численного моделирования межпластинного пространства теплообменной пластины

2.1.7 Влияние нестационарности и квазистационарности постановки задачи при расчёте течений в межпластинном пространстве

2.2 Микрохолмистые теплообменные поверхности

2.2.1 Параметризация геометрии микрохолмистой теплообменной поверхности при проектировании твердотельных моделей пластин и штампов

2.2.2 Метод теплогидравлического расчёта характеристик микрохолмистой теплообменной поверхности. Теоретическое сравнение основных теплогидравлических характеристик микрохолмистой теплообменной поверхности и гофрированной

теплообменной поверхности

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ КАНАЛОВ

3.1 Модельная установка для теплогидравлических испытаний теплообменных конвертов для пластинчатых теплообменников

3.1.1 Визуализация полей температур в модельных пластинчатых теплообменных элементах

3.1.2 Описание модельной установки У-399-ВЕР, используемой для верификации ОБО расчётов конвертов теплообменников

3.1.3 Метод сопряженного электро-тепло-гидравлического расчёта модельной пластины в программном комплексе АКБУБ

3.1.4 Сравнительный анализ результатов экспериментальных и численных исследований теплогидравлических характеристик микрохолмистой и гофрированной пластинчатых поверхностей

3.2 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РАСЧЁТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

4.1 Формирование базы данных критериальных зависимостей теплогидравлических характеристик

4.2 Подбор параметров полноразмерного пластинчатого теплообменника для малоразмерного газотурбинного двигателя

4.3 Проектирование и расчёт взаимнопористых теплообменных структур

4.4 Метод проектирования ветвящихся (древовидных) теплообменных каналов

4.5 Отработка технологии изготовления перспективных ветвящихся

древовидных теплообменников

4.5 Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВВТ - воздуховоздушный теплообменник;

ВДТА - ветвящийся древовидный теплообменный аппарат;

ВПТС - взаимно пористая теплообменная структура;

ВТК - ветвящийся теплообменный канал;

ГНТ - главное направление течения;

ГТД - газотурбинный двигатель;

ГТП - гофрированная теплообменная поверхность;

КВД - компрессор высокого давления;

ЛА - летательный аппарат

МГТД - малоразмерный газотурбинный двигатель;

МПП - межпластинное пространство;

МХТП - микрохолмистая теплообменная поверхность;

ПТЭ - Пористый теплообменный элемент;

CAnP(CAD) система автоматизированного проектирования (computer-

aided design);

- система кондиционирования воздуха;

- система охлаждения турбины;

- система обеспечения жизнедеятельности;

- теплообменный аппарат;

- турбовинтовой газотурбинный двигатель;

- турбинный датчик расхода;

- турбореактивный двухконтурный двигатель;

- термо-хроматические жидкие кристаллы;

- широтно-импульсная модуляция;

- элементарная ячейка;

вычислительная гидродинамика (computational fluid dynamics)

СКВ СОТ СОЖ ТА

ТВГТД

ТДР

ТРДД

ТЖК

ШИМ

ЭЯ

CFD

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчётно-экспериментального определения теплогидравлических характеристик пластинчатых и аддитивных теплообменных аппаратов»

Актуальность темы исследования

Разработка компактных и лёгких теплообменных аппаратов всегда была, есть и будет актуальной задачей. От массогабаритных и тепло-гидравлических характеристик теплообменных устройств напрямую зависят характеристики многих промышленных и бытовых устройств, летательных аппаратов, стендов и пр. поэтому исследования в области создания новых типов теплообменных устройств, методик их проектирования и оптимизации никогда не потеряют свою актуальность.

Развитие авиационных двигателей связано с постоянным ростом параметров рабочего процесса, включая температуру газа перед турбиной. В этих условиях эффективным методом решения задачи является разработка компактных и лёгких теплообменных аппаратов (ТА) для охлаждения горячей части газотурбинных двигателей (ГТД), а также для повышения термодинамической эффективности за счёт использования сложных циклов, включая охлаждение воздуха между ступенями компрессора, повышение температуры воздуха перед камерой сгорания за счёт теплоты газов.

Компактность, лёгкость и эффективность пластинчатых теплообменников, обладающих рядом преимуществ относительно кожухотрубных, позволили им найти широкое применение в авиации, в таких системах как: системы регенерации тепла, промежуточного охлаждения между ступенями компрессора, охлаждения лопаток турбин, топливно-воздушные теплообменники, система обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) и др. и, в связи с этим, задача повышения параметров таких теплообменников и для авиационных ГТД остаётся актуальной.

Значительную долю в общих гидравлических потерях теплообменных аппаратов составляют потери в коллекторных системах, непосредственно не связанные с организацией теплообмена. Необходимость обеспечения прочности в коллекторных системах, как правило, приводит к необходимости увеличения толщин стенок в этих элементах теплообменников, что также негативно сказывается на их экономических и массогабаритных характеристиках, особенно актуальных для авиационной техники. Поэтому поиск вариантов более рационального размена гидравлических потерь в коллекторах ТА на тепловую эффективность является актуальной задачей также как оптимизация течений в теплообменных каналах и параметров прочности.

Степень научной разработанности проблемы

В 20-м и в начале 21-го века теплообменные аппараты, как и методы определения их теплогидравлических параметров, получили бурное развитие и стали применяться практически во всех сферах человеческой деятельности. В качестве основного метода многие годы использовались методы, основанные на аналогиях, разработанные родоначальниками термодинамики: Карно, Рейнольдсом, Клаузиусом, Нуссельтом и др. Экспериментально изучалось огромное количество конструкций интенсификаторов теплообмена, наработан колоссальный экспериментальный опыт, который отражен в статьях и книгах: А.Л. Лондона, А.А. Жукаускаса, А.И. Леонтьева, А.В. Дедова, Б.С. Петухова, Л.Г. Генина, С.А. Ковалева, Ю.А. Кузма-Кичта, С.А. Исаева, Л.М. Коваленко, Н.В. Барановского, В.М. Кэйса, А.Л. Емельянова, Е.В. Кожевникова, С.С. Кутателадзе, П.И. Бажан и др. [1-18].

Исследованию вопросов применения теплообменных аппаратов в авиации посвящены работы ведущих ученых, таких как: Г.А. Дрейцер, Э.К. Калинин, А.Б Агульник, А.Н. Антонов, Ю.Ф. Баранов, Б.М. Митин, Т.И Васильев, А.И. Худяков и др. [19-27].

Накопленный опыт в исследовании свойств течений систематизировался в коммерческие программные комплексы такие как АКБУБ, ОрепБОАМ, СОМЗОЬтиШрЬувюБ, 8ТАЯССМ+. Есть и отечественные разработки, такие как FlowVision, Логос [28-34]. Использование программных комплексов численного моделирования физических процессов позволяет значительно сократить временные и финансовые затраты на получение конкретных результатов. Двумя факторами, определяющими скорость получения результатов при сложившемся подходе к теплогидравлическим расчётам, являются располагаемые вычислительные мощности и совершенство программного кода.

Однако есть способы, позволяющие даже в условиях наличия ограниченных вычислительных мощностей решать достаточно объёмные задачи по оптимизации ТА путём упрощения модели, а именно сведением задачи к расчёту элементарных ячеек, как правило периодически повторяющихся у любой теплообменной поверхности. Данные подходы требуют валидации расчётных методов с экспериментами, учёта локальных эффектов и тонкой настройки параметров расчёта. Они позволяют формировать базы решений, использование которых в дальнейшем помогает избегать громоздких вычислений и пользоваться более простыми инженерными методиками. Из описанного выше вытекают задачи расчётно-экспериментальных исследований элементарных ячеек.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчётно-экспериментального определения теплогидравлических характеристик пластинчатых и аддитивных теплообменных аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создание параметризованных моделей элементарных ячеек в CAD пакете.

2. Адаптация методов расчётов и экспериментального подтверждения теплогидравлических характеристик пластинчатых поверхностей ТА.

3. Формирование баз данных критериальных зависимостей путём численного моделирования теплообменных каналов с различными геометрическими параметрами, состоящих из минимального и при этом достаточного числа элементарных ячеек;

4. Сравнительный анализ различных типов пластинчатых теплообменных поверхностей (на примере подбора параметров регенератора для малоразмерного ГТД);

5. Обобщение комплексного подхода к расчётно-экспериментальным исследованиям пластинчатых теплообменных поверхностей. Поиск наиболее совершенных перспективных геометрических форм теплообменных поверхностей с учётом возможности применения для их производства аддитивных технологий.

Объект исследования - пластинчатые и аддитивные теплообменные аппараты.

Предмет исследования - теплогидравлические характеристики пластинчатых и аддитивных теплообменных аппаратов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан метод расчёта пластинчатых теплообменных аппаратов с учётом краевых эффектов с помощью элементарных ячеек. Оценено влияние нестационарности течения на точность расчётов.

2. Разработаны методы экспериментального определения тепловых характеристик пластинчатых теплообменных поверхностей с помощью тепловизирования или наблюдения за цветовым откликом нанесённых на исследуемую поверхность электрообогреваемого единичного конверта термохромных жидких кристаллов.

3. По результатам экспериментов получены эмпирические зависимости теплогидравлических характеристик для микрохолмистой и гофрированной пластинчатых теплообменных поверхностей. С помощью многопараметрических численных исследований сформирована база данных

теплогидравлических характеристик элементарных ячеек пластинчатых теплообменных поверхностей.

4. Предложены более перспективные, чем пластинчатые и трубчатые, геометрические формы теплообменных поверхностей, в том числе с учётом возможности применения для их производства аддитивных технологий.

Теоретическая и практическая значимость результатов

Теоретическая значимость исследования заключается в разработке базы данных критериальных зависимостей теплогидравлических характеристик пластинчатых теплообменных аппаратов, полученных из 3D-расчетов элементарных ячеек теплообменных каналов с оценкой влияния нестационарных и краевых эффектов.

Практическую значимость составляют:

- метод расчётно-экспериментального исследования теплогидравлических характеристик теплообменных поверхностей пластинчатых ТА различной формы и геометрических параметров на единичном модельном электрообогреваемом конверте, в том числе теплового состояния с использованием тепловизионной съёмки и термохромных жидких кристаллов. Метод позволяет формировать эмпирические критериальные зависимости и валидировать соответствующие численные расчёты;

- основы проектирования теплообменных аппаратов с взаимно пористой структурой, изготавливаемых по аддитивной технологии.

Результаты исследований использовались в работах по формированию облика малоразмерных ГТД. Разрабатываемые автором экспериментальные методики внедрены в ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (Приложение П.1), ФГБУ «НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского» (Приложение П.2).

Достоверность результатов

В расчётах использовались известные математические соотношения и физические законы, численные методы. В программе расчёта полноразмерного теплообменника использовались итерационные процедуры. При экспериментальных исследованиях использовались апробированные способы измерения давлений (пьезометры). Температуры рабочего тела измерялись термопарами и термисторами. Поверхностные распределения температур измерялись с использованием термо-хроматических жидких кристаллов и тепловизионной съёмки. Измерение расходов осуществлялось турбинными датчиками расхода при высоких значениях расхода и мерными шайбами при малых расходах.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на российских и международных конференциях: Всероссийская научно-техническая

конференция молодых ученых и специалистов «Новые решения в газотурбостроении», (Москва, 2015); Всероссийская научно-техническая конференция «Авиадвигатели XXI века», (Москва, 2015); Всероссийская конференция «Измерения. Испытания. Контроль», (Москва, 2018); 17-я международная конференция «Авиация и космонавтика», (Москва, 2018); Научно-техническая конференция «Динамика, прочность, надёжность газотурбинных двигателей», посвящённая 100-летию со дня рождения И.А. Биргера, (Москва, 2019); 34-я Международная конференция по взаимодействию интенсивных потоков энергии с веществом - ELBRUS 2019, (п. Эльбрус, 2019); XXII школа-семинар молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», (Москва, 2019) ; Всероссийская научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов «Авиационные двигатели и силовые установки», (Москва, 2019) ; 35-я международная конференция по уравнениям состояния вещества, (п. Эльбрус, 2020); III международная конференция «Современные проблемы теплофизики и энергетики», (Москва, 2020), Симпозиум «Перспективы развития ВРД, комбинированных, гибридных и электрических силовых установок» на Научно-техническом конгрессе по двигателестроению (НТКД-2022) в рамках Международного форума двигателестроения (Москва, 2022), Всероссийская научно-техническая конференция «Моделирование процессов в современных морских транспортных системах», (Санкт-Петербург 2024).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- Метод формирования баз данных расчетных теплогидравлических характеристик теплообменных каналов ТА с использованием критериальных зависимостей, полученных СFD расчётами элементарных ячеек с оценкой краевых и нестационарных эффектов.

- Результаты теплогидравлических испытаний конвертов модельных пластин теплообменных аппаратов и визуализация распределения температуры по их поверхности при электрообогреве конвертов и внутреннем протоке рабочего тела.

- Технический облик и рациональные параметры регенератора для малоразмерного ГТД.

- Облик перспективных теплообменных аппаратов, изготавливаемых по аддитивным технологиям.

Личный вклад соискателя

Соискатель проанализировал литературные источники, посвященные теплообменным аппаратам, с целью выбора наиболее перспективных направлений.

Провёл патентный обзор новых решений в области конструкций теплообменников, в том числе изготавливаемых по аддитивной технологии.

Разработал подход к формированию баз данных критериальных зависимостей для гофрированной и микрохолмистой теплообменных поверхностей при различных параметрах геометрии элементарных ячеек.

Разработал оригинальный метод экспериментального исследования тепло-гидравлических характеристик теплообменного конверта с использованием тепловизионной аппаратуры и термо-хроматических жидких кристаллов (ТЖК).

Самостоятельно разработал и апробировал метод тарировки ТЖК в условиях эксперимента.

Представил вариант учёта влияния краевых эффектов при течении в межпластинном пространстве на теплогидравлические характеристики, влияние геометрии входа/выхода в и из межгофрового пространства, расчётными методами проанализировал влияние нестационарности течений на точность расчётов.

Получил результаты многопараметрических расчётов и выбора конструкции ТА на примере регенератора для малоразмерного ГТД.

Организовал и провёл экспериментальные исследования тепло-гидравлических характеристик теплообменных конвертов с использованием тепловизионной аппаратуры и термо-хроматических жидких кристаллов. Валидировал полученные расчётным путём коэффициенты критериальных зависимостей, позволяющие осуществлять многопараметрическую оптимизацию теплообменников ГТД.

Разработал и запатентовал систему охлаждения многоконтурной газотурбинной установки с перспективным теплообменным аппаратом, изготавливаемым по аддитивной технологии.

Публикации

По результатам исследования опубликовано 24 научные работы, в том числе 4 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ по специальности (1.1.9.), 4 научные статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, 1 патент, 4 публикации в других изданиях, 4 материала и 8 тезисов докладов всероссийских и международных научных конференций.

Структура и объём работы

Диссертация изложена на 179 страницах и состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 6-ти приложений. Работа включает в себя 103 рисунка, 7 таблиц. Список литературы содержит 135 источников.

Глава 1. Обзор работ посвящённых теплообменным аппаратам

1.1 История теплообменных аппаратов

Бурное развитие промышленности, неразрывно связанное с научно-технической революцией второй половины XX века, привело к появлению новых и совершенствованию уже существующих систем и установок для преобразования первичных энергоносителей в требуемые для населения формы энергии, а также распределения и передачи этой энергии от источников её производства до объектов использования [35].

Высокая стоимость энергетических ресурсов привела к необходимости создания энергосберегающих технологий, позволяющих не только рационально и с максимальной эффективностью использовать существующие ресурсы, но и сохранять окружающую среду. Эффективность, надежность, экономичность и простота обслуживания - основные критерии, которым должны отвечать современные теплообменники.

В настоящее время наиболее распространены теплообменники двух видов: пластинчатые и трубчатые. В трубчатых теплообменниках нагреваемая среда проходит через трубки малого диаметра, размещенные в трубе большого диаметра или кожухе с теплоносителем. В пластинчатых же теплообменниках теплообмен осуществляется путем передачи тепла через пластины.

С целью максимизировать поверхность и эффективность теплообмена при минимизации потерь давления в теплообменном аппарате, его массы и габаритов, разрабатывают различные схемы течений и интенсификаций.

На Рисунке 1.1 представлен сравнительный анализ различных способов интенсификации теплообмена, проведённый группой учёных в МГТУ им. Баумана [36].

Рисунок 1.1 Сравнительный анализ различных способов интенсификации теплообмена [36]: 1- внутреннее кольцевое оребрение; 2 -сферические выпуклости; 3 - скрученные ленты; 4 -цилиндрические «штырьки»; 5 -вихревая матрица ; 6, 6a -сферические углубления; 6b - сферические углубления Moon H.K., O'Konnel T., Glezer B.; 7 - внутренние спиральные канавки; 8 - чередующиеся сферические выпуклости-углубления; 9 - внутренние канавки; 10 - винтовые трубы; 11

- риблеты; 12 - сферические углубления (кипение); 13 -каналы переменного сечения; 14 - зигзагообразные каналы; 15

- криволинейные каналы; 16 - овальные скрученные трубы; 17

- закрученное течение в трубе; 18 - 90 ° разрезные ребра; 19, 20 - 60° сплошные и разрезные ребра; 21 - внутреннее циклонное охлаждение (трехканальная петлевая схема); a -линия аналогии Рейнольдса

На Рисунке 1.1 наглядно видно, что наибольший интерес представляют интенсификаторы, «расположенные» над кривой аналогии Рейнольдса имеющие форму сферические углубления - «лунки» (Рисунок 1.1 1, 6, 6а, 6Ь). Данный феномен объясняется тем, что лунки являются вихреобразующими элементами.

Как подмечено в работах [37-44], поверхности с вихреобразующим рельефом позволяют существенно интенсифицировать теплообмен при умеренном росте сопротивления относительно классических поверхностей. Комбинирование «лунок» в произвольном порядке, а также их видоизменение из конструктивных соображений, позволяет образовывать поверхности повышенной турбулентности.

Поверхности повышенной турбулентности в теплообменном аппарате необходимо объединить конструктивно таким образом, чтобы обеспечить требуемые условия прочности и компоновки их в выделенных геометрических объёмах. В связи с этим необходима разработка оптимальных конструкций и методов их исследования наиболее простым и целесообразным способом.

Значительную долю в общих гидравлических потерях теплообменных аппаратов составляют потери в коллекторных системах, негативное влияние которых значительно превышает позитивный эффект от использования поверхностей повышенной турбулентности. Необходимость обеспечения прочности в коллекторных системах, как правило, приводит к значительному наращиванию толщин металла в этих элементах теплообменников, что так же негативно сказывается на их экономических и массогабаритных характеристиках, что особенно актуально для авиационной техники.

Поэтому поиск конструкторских решений, позволяющих оптимально использовать гидравлические потери в коллекторных системах так же является актуальной задачей.

1.1.1 Развитие теплообменников до XX века

Несмотря на то, что активное внедрение в производство теплообменников началось только в конце XIX века, появление первых пластинчатых теплообменников датируется VI-м веком до нашей эры. В древней Галлии [35] в целях дезинфекции воду для омовений нагревали почти до кипения, а разбавление холодной водой было неприемлемым в силу риска попадания микроорганизмов. Таким образом, появление первых теплообменных аппаратов было обусловлено потребностью в больших количествах воды для мытья комфортной температуры. В походах роль теплообменников успешно играли пластинчатые доспехи или щиты, для бань же теплообменники изготавливались специально и представляли собой вогнутые металлические листы, погруженные в резервуар с проточной холодной водой. Теплообмен между холодной и горячей водой, протекающей по рифленой поверхности металлического листа, осуществлялся, таким образом, без смешивания разнотемпературных жидкостей, посредством данного листа из меди или бронзы (иногда, из золота или серебра). Причем, древними было подмечено, что наличие чеканного орнамента на металлическом листе значительно ускоряет процесс охлаждения воды, даже при площади меньшей, чем у такого же листа, но без орнамента. К первым пластинчатым теплообменникам можно отнести римские термы. Термы строились на всей территории Римской империи, однако до наших дней сохранились лишь руины. Одним из чудес Рима считались термы

Каракаллы, отличавшиеся красотой и изысканностью и способные одновременно принять до 2500 человек. После падения Римской империи в 476 году, для терм и пластинчатых теплообменников наступил период забвения. Возрождение пластинчатого теплообменника начинается в 500-х годах нашей эры в азиатских странах: Монголии, Индии и на Тибете. Варварами, разрушившими Римскую империю, было вывезено огромное количество ценностей, в их числе и теплообменники, нередко изготовленные из золота, а также огромное количество рабов, среди которых были и люди, работавшие ранее в термах. Римские термы под влиянием восточной культуры постепенно преобразовались в такую разновидность бани, как хаммам. Видоизменились и теплообменники. Чеканные украшения на них постепенно сменились эмалевыми рисунками, поскольку восточные мастера считали чеканку всего лишь украшением, а ее истинное предназначение -интенсификация теплообмена, еще долгое время оставалось для них неведомым. Однако применение эмалевых покрытий дало неожиданный результат: пластинчатые теплообменники стали гораздо более устойчивыми к коррозии, что позволило их использовать даже в морской воде. Так, с их помощью охлаждали специальные красители в шелковых мастерских, расположенных на побережье Индийского океана [35].

В эпоху Возрождения бурное развитие получила математика, что привело к появлению инструментов для создания и развития теории теплообмена.

1.1.2 Развитие теплообменников в XX веке

Согласно некоторым источникам, создателем первого современного пластинчатого теплообменника была шведская компания Густава де Лаваля, выпустившая первую модель в 1938 году, предназначавшуюся для пастеризационного оборудования [45].

Модели первых пластинчатых теплообменников не отличались компактностью и были весьма неудобны в использовании. Так, например, толщина пластин этих теплообменников варьировалась в диапазоне 5-10 мм, тогда как в современных моделях пластинчатых теплообменных аппаратов она составляет десятые доли миллиметра.

До настоящего времени на рынках России преобладали кожухотрубные теплообменники, пластинчатые же являлись относительно новым видом теплотехнического оборудования. -Конструкция первых пластинчатых теплообменников была схожа с конструкцией фильтр-прессов, применяющихся в пищевой промышленности. Бронзовые пластины таких теплообменников

имели квадратную форму и устанавливались в специальную раму, закрепляемую винтом. Пластины для первых пластинчатых теплообменников нарезались продольно из металлических листов толщиной 15-30 мм в отличие от современного метода изготовления путем штампования из листового проката. Для уплотнения использовались специальные прокладки, укладываемые между пластинами по их периметру. Первые пластинчатые теплообменники, так же как и современные фильтр-прессы, использовались, в основном, для охлаждения и нагрева соков. Недостаточность сферы применения ограничивала и технические характеристики первых теплообменников: значения давления и температуры не превышали величин 6 атм и 110°С соответственно. Причиной подобных ограничений являлась и неразвитость существующих в то время технологий обработки металлов: так, к примеру, использующаяся в настоящее время для изготовления пластин технология тонколистового проката нержавеющей стали появилась лишь в середине XX века. Только в 60-70-х годах XX века значительно расширилась сфера применения пластинчатых теплообменников. Помимо пищевой промышленности их стали использовать так же и в энергетике, морском и речном судостроении, фармацевтике и т.д. Толчком к этому послужило, в первую очередь, развитие химической, обрабатывающей и металлургической промышленности, приведшее к созданию более совершенных материалов для пластин теплообменников и уплотнителей, улучшивших их технико-эксплуатационные характеристики, к серийному производству рам для пластинчатых теплообменников и др.

Развитие технологий производства, проектирования и материалов дали возможность пластинчатым теплообменникам значительно увеличить перечень областей их применения: они используются чуть ли не во всех существующих на сегодняшний день отраслях промышленности. Конденсация паров, охлаждение и нагрев жидкостей и газов, рекуперация тепла - всё это неполный список основных сфер использования пластинчатых теплообменников, позволяющий, несмотря на невозможность их применения в условиях высоких температур и давлений, в отличие от трубчатых теплообменников, занять значительный сегмент рынка теплообменных устройств. Востребованность именно данного вида теплообменных аппаратов во многом обусловлена их более высокой эффективностью при использовании в водных средах в сравнении с трубчатыми.

Всё это позволило пластинчатым теплообменникам постепенно вытеснять устаревшие кожухотрубные теплообменники из самых различных областей их применения, в частности, из систем горячего водоснабжения и теплоснабжения.

Компактность, лёгкость и эффективность пластинчатых теплообменных аппаратов позволяет им найти широкое применение в авиации, например: системы регенерации тепла, промежуточного охлаждения воздуха между

ступенями компрессора, охлаждения лопаток турбин, топливно-воздушные теплообменники. Поэтому задача повышения параметров таких теплообменников остаётся актуальной.

1.1.3 Современные теплообменники, изготавливаемые с использованием аддитивных технологий

С развитием аддитивных технологий начинается новая эпоха развития теплообменного оборудования. Использование послойной печати, при наличии соответствующей технологии очистки готового изделия от остатков порошка и поддержек, полностью снимают какие-либо технологические ограничения на форму теплообменных каналов и коллекторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вербанов Иван Сергеевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Компактные теплообменники / В. М. Кэйс, А. Л. Лондон ; Пер. с англ. В. Г. Баклановой ; Под ред. Ю. В. Петровского. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962. 160 с.

2. Жакаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. 472 с.

3. Интенсификация теплообмена. Темат. сб. / Ю. В. Вилемас [и др.]; Под ред. А. А. Жукаускаса, Э. К. Калинина; [АН ЛитССР, Ин-т физ.-техн. пробл. энергетики, АН БССР, Ин-т тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова]. Вильнюс: Мокслас, 1988. 185 с.

4. Dedov A.V. Enhancing the boiling heat transfer // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. № 1128. 012003. 9 p.

5. Effect of vortex flows at surface with hollowtype relief on heat transfer coefficient and equilibrium temperature in supersonic flow // Leontiev A.I., Vinogradov Yu.A., Bednov S.M., Golikov A.N., Yermolaev I.K., Dilevskaya E.V., Strongin M.M. Experimental Thermal and Fluid Scince. Vol. 26, no. 5. 2002. P. 487-497.

6. Петухов, Б. С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967. 411 с

7. Теплообмен в ядерных энергетических установках: учебное пособие / Б. С. Петухов [и др.]; под редакцией доктора технических наук профессора Б. С. Петухова. М.: Атомиздат, 1974. 407 с.

8. Введение в статистическую теорию турбулентности / Л.Г. Генин [и др.] М.: МЭИ, 2007. 100 с.

9. Кузма-Кичта Ю. А. Интенсификация теплообмена // Вестник МЭИ. 1999. № 2. С. 34-41.

10. Коваленко Л.М. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи / Л.М. Коваленко, А.Ф. Глушков. М.: Энергоатомиздат. 1986. 240 с.

11. Пластинчатые и спиральные теплообменники / Н.В.Барановский [и др.]. М: «Машиностроение», 1973. 289 с.

12. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

416 с.

13. Справочник по теплообменным аппаратам. / П.И. Бажан [и др.] М.: Машиностроение, 1989. 367 с.

14. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах / Б. В. Дзюбенко [и др.]; под ред. Ю. А. Кузма-Китчи. М. : ЦНИИатоминформ, 2008. 532 с.

15. Фролов К.В. Машиностроение. Энциклопедия. Машины и аппараты химических и нефтехимических производств. Т. 1У-12 / М.Б. Генералов [и др.] Под общ. ред. М.Б. Генералова. 2004. 832 с.

16. Дубровский Е.В. Комплексные исследования интенсификации теплообмена в пластинчато-ребристых аппаратах // Е. В. Дубровский, Н. И. Мартынова, В. Я. Васильев Тракторы и сельскохозяйственные машины. М., 2001. № 1. С. 21-24.

17. Расчет и интенсификация теплообмена в промышленных теплообменниках: Учебное пособие по курсам "Пром. тепломассообмен. процессы и установки", "Термовлажност. и низкотемператур. теплотехнол. процессы и установки" для студентов и слушателей ФПКП, обучающихся по направлению "Теплоэнергетика" / А. Л. Ефимов [и др.]; под общ. ред. А. Л. Ефимова; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. агентство по образованию, Моск. энергет. ин-т (техн. ун-т). М.: Изд-во МЭИ, 2005 (Красноармейск (Моск. обл.): Типография-Н). 64 с.

18. Мигай В. К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980. 144 с.

19. Дрейцер Г. А. Теплообмен при свободной конвекции : Учебное пособие. М.: М-во образования Рос. Федерации. Моск. авиац. ин-т (гос. техн. унт), Изд-во МАИ, 2002. 97 с.

20. Эффективные поверхности теплообмена / Э. К. Калинин [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1998. 407 с.

21. Термогазодинамические расчеты и расчет характеристик авиационных ГТД / Агульник А.Б. [и др.] М.: МАИ, 2002. 257 с.

22. Экспериментальное исследование теплопередающих поверхностей с компланарными каналами (типа Френкеля) / А.Н. Антонов [и др.] ТС №2 300-1834. ЦИАМ. 1994. 32 с.

23. Баранов Ю.Ф. Пластинчатые теплообменники системы регенерации тепла в ТРДД // Баранов Ю.Ф., Митин Б.М. Теплообменные аппараты газотурбинных двигателей. Труды № 750. Вып.2. М.: ЦИАМ. 1977. 210 с.

24. Митин Б.М. Расчет оптимальных теплообменников системы регенерации ГТД. М.: ЦИАМ, 1968. № 463.

25. Васильев В.Я. Результаты аэродинамических испытаний пластинчато-ребристых теплообменников. Вестник Астрахан. гос. техн. ун-та. 2005. № 5 (28). С. 131-134.

26. Худяков А.И. Расчет коллекторного кольцевого пластинчатого теплообменника // Худяков А.И., Цветков С.И. Теплообменные аппараты газотурбинных двигателей. Вып.7. Труды № 1282. М.: ЦИАМ, 1991. С. 7-25.

27. Силуянова М.В. Сравнительный анализ схем сложных термодинамических циклов микротурбин // Силуянова М.В., Попова Т.В. М.: Научные труды «Вестник МАТИ», 2014. № 22(94). С. 94-99.

28. Щербаков М.А., Юн А.А. Сравнительный анализ моделей турбулентности с использованием научного кода "Fastest-3D" и коммерческого пакета ANSYS CFX // YUN.SU: сервер URL: http://yun.su/science/30.pdf (дата обращения: 01.06.2018).

29. Ansys official site //URL: https://www.ansys.com (дата обращения:

01.12.2017).

30. About Open Foam // URL: https://www.openfoam.com (дата обращения:

14.12.2018).

31. COMSOL Multiphysics // URL: https://www.comsol.ru (дата обращения: 01.12.2017).

32. Flow Vision // URL: https://flowvision.ru/ru/ (дата обращения:

01.12.2017).

33. STAR CCM+ // SIEMENS.COM сервер URL: https://mdx.plm. automation.siemens.com/star-ccm-plus (дата обращения: 01.12.2017).

34. Программные коды инженерного анализа «Логос» ВНИИЭФ // VNIIEF.RU сервер URL: http://www.vniief.ru/unvisible_aria/products/ it/razr/0e57428049bde139bf30ff3d902053fb (дата обращения: 01.12.2017).

35. История развития теплообменников // OSIPOVS.RU сервер URL: http://www.osipovs.ru/index.php/istoria-razvitia-teploobmenikov (дата обращения:

10.10.2018).

36. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом / С.А. Бурцев [и др.]. Наука и образование М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана № 01. 2013. 22 c.

37. Теплообмен и трение на поверхности с регулярным рельефом сферических вогнутостей / Афанасьев В.Н. [и др.] ИТФ. 1991. Т. 63, № 1. С. 2327.

38. Вербанов И.С. Расчёт и проектирование элементов перспективных теплообменных поверхностей, изготовленных по аддитивной технологии // Вербанов И.С., Гулимовский И.А. Основные результаты научно-технической деятельности ЦИАМ (2017-2018). М.: ЦИАМ, 2018. С. 101-103.

39. Численное моделирование смерчевой интенсификации теплообмена в узком канале с овальными лунками на нагретой стенке при прокачке воды / С.А. Исаев [и др.]. М.: Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации, Санкт-Петербург, Россия, Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана, Москва, Россия, Gas Technology Institute, Des Plaines, Illinois, USA , 2013. 419 с.

40. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности / В.Н. Афанасьев [и др.] М.: Изд-во МГТУ. 1991. 140 с.

41. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М.: Энергия, 1966. 184 с.

42. Теплообмен при сверхзвуковом обтекании одиночной лунки / Боровой В.Я., Яковлев Л.В. Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1991. № 5. С. 46-52.

43. Исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в кольцевом канале с интенсификаторами теплообмена / Болтенко Э.А. [и др.]. Теплоэнергетика. 2015. № 3. С. 22-27.

44. Corrugated plate heat exchanger review. Renewable and Sustainable Energy Reviews // Abou Elmaaty T. M., Kabeel A. E., Mahgoub M. 2016. Р. 70, 852860.

45. История компании «Альфа Лаваль» // ALFALAVAL.COM сервер URL: http://www.alfalaval.com/about-us/our-company/history-of-alfa-laval/ (дата обращения: 10.10.2018).

46. Geometry of heat exchanger with high efficiency: р. US 20130206374 A1, publ. 14.05.2015

47. Heat exchangers and the production thereof: р. WO 2015067565 A1, publ.

14.05.2015

48. Counter-flow heat exchanger with helical passages: р. US 20170030651 A1, publ. 02.02.2017

49. Bionic honeycomb-type plate sheet for plate-type heat exchanger: р. CN 102435086 A, publ. 02.05.2012

50. Discreetly defined porous wall structure for transpirational cooling: р. US 9334741 B2, publ. 10.05.2016

51. Gas turbine engine component having vascular engineered lattice structure: р. WO 2014105108 A1, publ. 03.07.2014

52. Gas turbine engine component having vascular engineered lattice structure: р. WO 2014105109 A1, publ. 03.07.2014

53. Multi-branch furcating flow heat exchanger: р. WO 2016057443 A1, publ.

14.04.2016

54. Component Validator for Environmentally Friendly Aero Engine // EN.ACADEMIC.RU сервер URL: http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/1939574 (дата обращения: 10.12.2018).

55. Intercooled Recuperated Aero Engine development and optimization of innovative heat exchanger concepts // K. Yakinthos, S.Donnerhack, D. Misirlis,

M.Flouros, Z. Vlahostergios, A. Goulas Conference Paper at 2nd ECATS Conference. Athens Greece. 2016. P. 100-104.

56. Официальный cайт NEWAC // URL: http://www.newac.eu (дата обращения: 08.01.2019).

57. NEWAC, Warsaw Workshop presentation, 2010 // NEWAC.EU сервер URL: http://www.newac.eu/69.1.html (дата обращения: 14.12.2018)

58. Pokwang Kwan, Dr. David Gillespie Intercooler Heat Exchanger Installation and Performance Results, University of Oxford, 30 June 2010. P. 100-104.

59. Митин Б.М. Расчет оптимальных теплообменников системы регенерации ГТД. 1968 (ЦИАМ, Труды №.463).

60. Теплообменные аппараты. Учебное пособие / Байгалиев Б.Е. [и др.]. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, 2012. 180 с.

61. Теплообменные аппараты. Учебное пособие / Байгалиев Б.Е. [и др.]. Казань: Издательство Казанского нац. исслед. ун-та, 2011. 171 с.

62. Теплообменные аппараты энергетических установок / Андреев М.М. [и др.] М.: Машгиз, 1963. 240 с.

63. Способ уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки и устройство для его осуществления: п. 2132962 РФ / Гойхенберг М.М., Марчуков Е.Ю., Особов В.И., Чепкин В.М.; опубл. 10.07.1999

64. Aeroengine fitted with heat exchanger means: р. US 7568336 B2, publ. 04.08.2009

65. Gas Turbine Engine: р. US 20090133380 A1, publ. 28.05.2009

66. Turbine engine with intercooler in bypass air passage: р. US 6134880 A, publ. 24.10.2000

67. Engine: р. US 7716913 B2, publ. 18.05.2010

68. Recuperative exhaust-gas heat exchanger for a gas turbine engine: р. US 6983787 B2, publ. 10.01.2006

69. Turbojet power plant with heat exchanger: р. US 6722119 B2, publ. 20.04.2004

70. Cooling air cooler for a gas turbofan engine: р. US 4254618 A, publ. 10.03.1981

71. Warmetauschersystem mit additiv hergestellter verkleidung: р. EP 3012443 A1, publ. 27.04.2016

72. Additive manufactured ducted heat exchanger system with additively manufactured fairing: р. US 20160108814 A1, publ. 21.04.2016

73. Warmetauschersystem mit additiv gefertigtem warmeubertragungsrohr, das einem nichtlinearen pfad folgt: р. EP 3054252 A1, publ. 10.08.2016

74. Heat exchanger system with additively manufactured heat transfer tube that follows a non-linear path: р. EP 3054252 A1, publ. 10.08.2016

75. Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. М.: Машиностроение. 1973. 444 с.

76. Григорьев, А. А. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок : Учеб. пособие. П.: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. 195 с.

77. Официальный сайт компании «Reaction Engines» // REACTIONENGINES.CO.UK сервер URL: https://www.reactionengines.co.uk/sabre (дата обращения: 09.12.2018).

78. Topology optimization of conductive heat experimental investigation // V. Subramaniam, T. Dbouk , J.L. Harion Applied Thermal Engineering. 2018. Р. 390-411.

79. Simulation and Verification of Bionic Heat Exchangers with COMSOL Multiphysics // A. Kremers, M. Pieper Faculty Energy Technology, FH Aachen. 2015. 144 p.

80. Попов И. А. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования при вынужденном и свободноконвективном движении теплоносителей: автореферат дисс. на соискание ученой степени доктора техн. наук. Казань, 2008. 40 с.

81. Воронин Г.И., Дубровский Е.В. Эффективные теплообменники, М.: Машиностроение, 1973. 95 с.

82. William Cody Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science In Aerospace Engineering Reed Comparison of Heat Exchanger Designs for Aircraft Thermal Management Blacksburg, Virginia, 2015. 144 p.

83. Презентационные материалы Danfoss// MASTERFLO.RU сервер URL http://www.masterflo.ru/PCMPDF/Leaflet_HEX.pdf (дата обращения 21.05.2022).

84. Influence of Corrugation Profile on the Thermalhydraulic Performance of Cross-Corrugated Plates // Lei Zhang, Defu Che State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, People's Republic of China, 2011. 296 p.

85. Thermal and hydraulic performance of pillow-plate heat exchangers // Arsenyeva O., Tran J., Kenig E. Y. 28th European Symposium on Computer Aided Process Engineering. 2018. Р. 181-186.

86. Numerical study on heat transfer enhancement in capsule-type plate heat exchangers // Zhang Y., Jiang C., Yang Z., Zhang Y., Bai B. Applied Thermal Engineering. 2016. Р. 108, 1237-1242.

87. S. Muthuraman Global j ournal of researches in engineering mechanical and mechanics engineering / The characteristics of Brazed Plate Heat Exchangers with Different Chevron Angles, USA: Global Journals Inc. 2013. P. 90-107.

88. Investigation Of Flow And Heat Transfer In Corrugated Passages // M.Ciofalo, J.Stasiek, M.W.Collins Ii - Numerical Simulations., Int. J. Heat And Mass Transfer, Vol.39. No.1. 1996. Р. 165-192.

89. Jin S., Hrnjak P. Effect of end plates on heat transfer of plate heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer 108. 2016. P. 740-748.

90. Справочник по физико-техническим основам С74 криогеники. Под ред. М.П. Малкова. Изд. 2-е перераб. и доп. М., «Энергия», 1973.

91. An approach for pillow plate heat exchangers design for single-phase applications. Applied Thermal Engineering // Arsenyeva O., Tran J., Piper M., Kenig E. 2019. 6 p.

92. Literature Survey and a Universal Evaporation Correlation for Plate type Heat Exchangers // Ayub Z. H., Khan T. S., Salam S., Nawaz K., Ayub A. H., Khan M. S. International Journal of Refrigeration, 2018. 8 p.

93. Heat transfer enhancement in pillow-plate heat exchangers with dimpled surfaces: A numerical study // Piper M., Zibart A., Djakow E., Springer R., Homberg W., Kenig E.Y. Applied Thermal Engineering, 2019, P. 142-146.

94. Numerical Evaluation of Different Turbulence Models for Single-Phase Flow in the Outer Pillow-Plate Channel // Vocciante M, Piper M., Zibart A., Kenig E.Y. Computer Aided Chemical Engineering, 2018, P.397-402.

95. Цилиндр в пограничном слое пластины/ Афанасьев В.Н. [и др.]. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2011. № 2. С. 3-22.

96. ООО «Тесто Рус»//TESTO.ru: сервер URL: https://www.testo.ru/ru-RU/testo-890-2-s-supier-tielieobiektivom/p/0563-0890-V4 (дата обращения: 10.10.2018).

97. Гулимовский И.А. Численное исследование теплогидравлических характеристик микрохолмистой и зигзагообразной поверхностей повышенной турбулентности // Гулимовский И.А., Вербанов И.С., Светлаков А.Л. Промышленная энергетика. М.: ЦИАМ, 2018. № 3. С. 26-31.

98. Thermal and hydraulic performance of pillow-plate heat exchangers // Arsenyeva O., Tran J., Kenig E. Y. 28th European Symposium on Computer Aided Process Engineering. 2018. Р. 181-186.

99. Гулимовский И.А. Численное исследование теплогидравлических характеристик микрохолмистой и зигзагообразной поверхностей повышенной турбулентности // Гулимовский И.А., Вербанов И.С., Светлаков А.Л. Промышленная энергетика. М.: ЦИАМ, 2018. № 3. С. 26-31.

100. Вербанов И.С. Сравнительный анализ результатов экспериментальных и численных исследований теплогидравлических характеристик микрохолмистой и гофрированной пластинчатых поверхностей // Вербанов И.С., Гулимовский И.А. Приборы и системы, управление, контроль, диагностика. М.: ЦИАМ, 2018. № 11. С. 20-24.

101. A liquid crystal thermography calibration with true color image processing // Shusheng Zang, Minghai Huang, Yu Rao Chinese Optics Letters, Vol. 7, No. 9. 2009. P. 795-797.

102. Yu Rao and Yamin Xu Liquid Crystal Thermography Measurement Uncertainty Analysis and Its Application to Turbulent Heat TransferMeasurements. Hindawi Publishing Corporation, Advances in Condensed Matter Physics. 2012. Article ID 898104. 9 p.

103. Официальный сайт компании SpotSee («LCR Hallcrest») сервер URL: https://www.spotsee.io (дата обращения: 10.10.2024).

104. Errors in thermochromic liquid crystal thermometry // Roland Wiberg, Noam Lior, Review Of Scientific Instruments, Number 9. 2004. 75p.

105. Лепешкин, А. Р. Теплофизические измерения при термоциклировании лопаток газотурбинных двигателей с керамическими покрытиями // А. Р. Лепешкин [и др.] Теплофизика высоких температур. М., 2010. Т. 48. С. 734-740

106. Лепешкин А. Р. Многокритериальная оптимизация индукционного нагрева дисков ГТД при испытаниях на разгонном стенде // А. Р. Лепешкин, С. А. Лепешкин Авиационно-космическая техника и технология. М., 2007. № 8. С. 156164.

107. Investigations of heat exchanger elements at tests // Lepeshkin A.R., Verbanov I.S., Ilinskaya O.I., Fetisov M.V. et al. Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1683. 022107.

108. Кувалдин А. Б. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях. М.: ООО "Научно-издательский центр ИНФРА-М", 2020. 273 с.

109. Способ испытаний деталей с теплозащитным покрытием на долговечность: п. 2259548 РФ / Лепешкин А.Р., Бычков Н.Г., Першин А.В.; опубл. 27.08.2005, Бюл. № 24.

110. Жаровая труба камеры сгорания: п. 2260156 РФ / Лепешкин А.Р., Бычков Н.Г., Першин А.В.; опубл. 10.09.2005, Бюл. № 25.

111. Лопатка турбины: п. 2250378 РФ / Бычков Н.Г., Лепешкин А.Р., Першин А.В.; опубл. 20.04.2005. Бюлл. № 11.

112. Камера сгорания: п. 2250414 РФ / Бычков Н.Г., Лепешкин А.Р., Першин А.В.; опубл. 20.04.2005. Бюлл. № 11.

113. D.Thevenin, G.Janiga, Optimization and Computational Fluid Dynamics, Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik (ISUT), Publisher: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. 291 p.

114. Comparative analysis of the results of experimental and numerical studies of thermal and hydraulic characteristics of microhilly and corrugated plate surfaces // Verbanov I.S., Gulimovskiy I.A., Svetlakov A.L., Lepeshkin A.R. Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1683. 022104.

115. Кашко А. А. О структуре двухмерных и трехмерных течений вблизи искривленных поверхностей: дисс. ... канд. физ.-математ. наук. Москва, 2003. 105 с.

116. Кириллов П. Л. Тепломассообмен в ядерных энергетических установках: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Атомные электрические станции и установки" / П. Л. Кириллов, Г. П. Богословская. 2-е изд., перераб. М.: ИздАТ, 2008. 254 с.

117. Кирпиков В.А. Исследование теплообмена и сопротивления щелевых каналов типа «диффузор-конфузор» при движении вязкой жидкости / В.А. Кирпиков, Ю.А. Архипов М.: Межвуз. сб. научн. тр.; Всес. заочн. маши-ностр. инт, 1982. № 11.С. 8-14.

118. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям; под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 671 с.

119. Гидродинамика коллекторных теплообменных аппаратов / Быстров И.И. [и др.]. М: Энергоиздат, 1982. 225 с.

120. Thermal-hydraulic optimization of plate heat exchanger: A multi-objective approach // Raja B. D., Jhala R. L., Patel V. International Journal of Thermal Sciences, 2017. Р. 124, 522-535.

121. Вербанов И.С. Визуализация полей температур в модельных пластинчатых теплообменных элементах // Вербанов И.С. Прикладная физика и математика. М.: ЦИАМ, 2018. № 5. С. 3-8.

122. Вербанов И.С. Формирование базы данных по теплогидравлическим характеристикам теплообменных элементов на базе поверхностей Френкеля с помощью 3d моделирования // Вербанов И.С., Светлаков А.Л. Научно-технический сборник Основные результаты научно-технической деятельности ЦИАМ (2015-2016). М.: ЦИАМ, 2016. 210 с.

123. Пористые проницаемые материалы: Справ. изд./ С.В. Белов [и др.]. М.: Металлургия, 1987. 335 с.

124. Попов И.А. Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах. Интенсификация теплообмена. Под общ. ред. Ю. Ф. Гортышова. К.: Центр инновационных технологий, 2007. 240 с.

125. Зрелов, В. А. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы. М.: Машиностроение, 2005. 335 с.

126. Теплообмен при парообразовании в капиллярах и капиллярно-пористых структурах / Г. Ф. Смирнов [и др.]. М.: Изд.-во МЭИ, 1999. 439 с.

127. Расчет и конструирование теплообменников / А. Фраас [и др.]. М.: Атомиздат, 1971. 358 с.

128. Теплообмен в энергетических установках космических аппаратов /Б.М. Галицейский [и др.] М.: Машиностроение. 1975. 272 с.

129. Опыт печати керамики высокой плотности исключительным способом, ADMATEC Europe BV, 2017 (рекламный материал).

130. Convective trees of fluid channels for volumetric cooling // Bejan A., Marcelo R., International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, P. 3105-3118.

131. Пластинчатый теплообменник: а.с. 2350874 РФ / А.А. Григорьев, Ю.С. Марков, А.Р. Лепешкин, С.Н. Григорьев; опубл. 27.03.2009. Бюлл. № 16.

132. Официальный сайт компании EOS // URL: https://www.eos.info/en (дата обращения: 01.02.2019).

133. Система охлаждения многоконтурной газотурбинной установки: п. 2680636 РФ / Вербанов И.С., Гулимовский И.А.; опубл. 25.02.2019.

134. Магеррамова Л.А. Перспективные применения аддитивных технологий для создания деталей и узлов авиационных ГТД и ПВРД. Вестник Самарского Университета // Магеррамова Л.А., Ножницкий Ю.А., Волков С.А., Волков М.Е., Чепурнов В.Ж., Вербанов И.С., Заикин С.В., Белов С.В. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. С., 2019. Т. 18 № 3. С. 81-98.

135. А. Л. Светлаков Теплообменники на базе поверхностей Шварца типа P, адаптированные к аддитивному производству. // А. Л. Светлаков, И. А. Гулимовский, И. С. Вербанов, Д. В. Маслова. Инженерно-физический журнал. 2024. Т. 97, №3. С. 608-618.

ПРИЛОЖЕНИЯ

П.1. Акт о внедрении от ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова»

УТВЕРЖДАЮ

иерального директора по науке

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Вербанова Ивана Сергеевича на ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова»

Настоящим актом подтверждается использование в рамках работ ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова» результатов диссертационной работы «Разработка методов расчстно -экспериментального определения теплогидравлических характеристик пластинчатых и аддитивных теплообменных аппаратов», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, имеют научное и практическое значение. Разработанные методы позволили существенно ускорить процесс проектирования и получения тепло-гидравлических характеристик теплообменных аппаратов, в том числе для перспективных МГТД сложного цикла.

двигатели», д.т.н.

Начальник отделения 300 «Авиационные

Начальник отдела 305 «Исследование перспектив развития малоразмерных ГТД, ВСУ, турбостартеров>:

Начальник сектора 30503 «Анализ конструкций малоразмерных ГТД», к.т.н.

П.2. Акт о внедрении от ФГБУ «НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»

П.3. Пример расчёта смещений микрохолмов на штампах при укладке пластин ТА в спирали в кольцевом канале

А

V3

ЬдФИ

Пластине, смотрящей на стык вогнутой стороной, пупырь необходимо сметать наружу, а пластине, смотрящей на стык вывернутой частью пупырь необходимо сместить во внутрь на расстояние еатта/2 Необходимо штамповать 2 Енда пластин:

1-ый вид:

Вогнутые по холодному.

2-ой енд:

Вогнутые по горячему.

Ктах -=

Я

SRAD-

dCOLD dHOI

■ gammamax

hi

SRAD ■

dCOLD dHOI

-1.281455585

zammtmax

Нормальный коэффициент вытяжки:

Knorm ■=

I SRAD-

dCOLD ¿HOT V

2_2 J

V

SRAD-

dCOLD aHOI

J 1033

Печать спирали

PI ■= polarplot{ P2 -= polarploi P3 ■= polarplot' P4 ■— polarplot' P5 ■— polarploti P6 -= polarplot'

P7 ■— polarplot' PS ■= polarplot' pg -.= polwpioi

iFlHn.t- f..f tFi2[t)J=f..f

rtumpoMs = 1GOO=PLOT[...: rtumpoMs = 1000 i =PLOT{...: Г.Fi2(t) + i= ML ninttp0ims = 1000J =PLOT[...;

, mmpoints = 1000 I =PLOT(...)

f.f

, monpoints = 1000 | =PLOT{...) , mmpoints = 1000

dl dl d2

— u- — —

d2 dl d2

— ,U= — ..—

dG dl d2 —JJ=—..—

mimpoints = 1000: color = "green" J =PLOT\... t

, mimpoints = 1000= color = "blue" ] = PLOT(...)

;

, mimpoints = 1000: color = "green" J =PLOT'(... :■

displqytPl, P2, PS, P4: P5._ P6, P7, PS, P9)

Информация в

Максимальный коэффициент вытяжка К>тх=-1.2814595 ЕР Начальный радиус: гО = 105

Длина пластины: 1р1саЮ\(12\ = 93.33333333 Шаг шттырен в радиальном направленна:

5ИАВ = 5

Максимальное число пупырей Шах_= ^^ = 18.66666667

Диаметры пупырей: с1СОИ) = 2 ШОТ=2 Высота пупырей: ^ = 32

Оценка прочности

Перепад давления

<М№ := 500000 =500000 Максимальное напряжение на сжатие 8-й

КРтш, ■=

р1 -гАСОЬЕг Максимальное напряжение на срез: 2' ЗКАГ?ч&ИР

7.957747154 10°

ШНяш, ■=

= 1.989436788 10'

р\-dDOLD-ddt Максимальный тепловой поток:

ата.г := 120000 = 120000 Щ-

м1

Линейный коэффициент теплового расширения: аЩК--= 12.6-10^ = 0.00001260000000 Коэффициент теплопроводности: ¡атс1а ■— 47 =47

ВТ--= ФМК'&Ь = 5Ю.6382979 К ишс/а

Модуль упругости

^ == 200-Ю6 = 200000000 Па

Напряженна вызванные наличием теплового потока:

& := о1ДИ-ПТ-Е= 1.286808511 10*Па

Максимально возможные напряжения:

3&пМ4Х--= + Швшх + ЛКЙиж + = 2.963892354 107

Предел теьс/честн:

£02 := 105' 10; = 105000000 Па

П.4. Пример программы расчёта экспериментальной установки

Темпереэпфа синего старта TUPTLC := 45 : С Температура красного старта: TDOWNTLC := 40 : С Температура очнсткн (Clearing Point): TCPTLC ■= 52 : С

T1PLOT ■■= plot{Т1 — 273. G = G1 G2. thickness = 2. color = black] = PLOT{...} T2PLOT ■= piot{T2 - 273. G = G1 G2. color = red thickness = 2) =PLOT[. ) T3PLOT ■■= plot{ T3 — 273. G = G1 G2. color = green, thickness = 2) =PLOT{...) DTPLOT := plot{ T2 - T3, G= GI..G2) =PLOT[...)

TUPPLOT := plot{TUPTLCG = G1 G2._ color = blue, linestyle = 31 = PLOT (....] TCPPLOT ■= pbty TCPTLC, G = G1 JG2, color = black linestyle=3) = PLOT(...) TDOWNPLOT := pht\ TDOWNTLC, G = G1..G2. color = red linestvle= 3 )=PLOT{ .) TFLOWPLOT ■■= plot{Tcp{G),G = Gl G2._ linestyle = l) =PLOT( )

Диапазоны енднмосш ГЖК(расходы)

GTIDOWNTLC :=fiolve(T3 - 273 = TDOWNTLC, G=G1..G2\ =0.000907

GT2UPTLC := fsohe[ 72 - 273 = TLPT1C. G = G1..G2) =0.00164 GT1PL ОТ : = plot1100000 0000 ■ (G - GT1DO WNTL C).G = GT1DOWNTL С

.GTIDOWNTLC - 0.0000001. color = blue, linestyle = 3) =PLOT{.)

GT2PLOT ■= plot{ 1000000000- (G - GT2LPTLC), G = GT2UPTLC..GT2UPTLC

+ 0.0000001. color = blue, linestyle = 3) = PLOT(...)

display ITIPLOT, T2PLOT. T3PLOT. TUPPLOT. TDOWNPLOT\ GT1PLOT. GT2PLOT. TCPPLOT]

70

60

50 40 30 20 10 0

0.0010 0.0015 0.0020

G

П.5. Пример базы данных коэффициентов критериальных зависимостей

'|с<=ДНЫ± ДАННЫЕ 3«;ль-=ты |

Р!' Ьз Иг гйа ИЛ 111=400 -раф.' -V А Е С □

I 61 гл П,€ 0,1X015 1151 0.И5>:6 15,22 11.5:617215 у = С.ЗОбВх"311 50 0.25

1 61 2.4 М 0.Е03 431: 0.12456 26,23 12.45610547 ____--0 50 0.23 0,73532 -0,216 3053 :.зз21

2 61 гл П,€ адсот5 646: 0.11417 32,75 1Д,44743216 50 0.25

3 б: 2.4 М ад [Л 25 15о: 0.17371 15,29 17.370563 45 Чи 0 4151^6^- 10С = 50 :.з

4 61 2.4 V 0.К05 5-19: 1.1437 21,57 11.35953515 50 1.5 1.1702 -0,255 :'.4151 :.1&91

5 61 гл м ад 00 75 47?! 0.135 31 26,12 13.53143412 50 1.5

5 б: 2.4 м 0,1X025 1220 0.15292 11,62 13.25159501 у = 0,4077л"*™ у = Кг733х«-*" 50 0.73

7 б: 2,4 м о.о:оз 24з: 0.11515 16,63 11.54547723 50 0.75 С.3574 -0,224 0.4076 :.173б

3 б: 2.4 м ад0075 355: 0.13035 20,56 13.0353353; * 50 0.75

5.1 б: 2.4 м :.со1 4775 0.13993 21,7 13.95340355 50 0.73

71 2.4 0,6 ад 00 25 1141 0.23725 19,53 23.72259365 у = С.2-43>;;:т1: у-_ щ 70 0.25

34 7- 2.4 М 0.Е03 417: 0.2С595 30,41 20.55541263 70 0.23 1,525 -0,232 :>.2443 :.3732

33 7- 2.4 а,5 ад 00 75 6111 0.17339 37,42 17.33931563 70 0.23

31 7: 2.4 М ад0025 1511 0.21011 16,1-1 21.04147513 у = 0,201^='== ч = 74 3аВх^™ 70 1.5

31 7- 2.4 м 0.Е03 ЗОИ 0.19112 24,76 19.11154745 70 :.з 0,71335 -0,172 0.2:1 :.3933

30 7: 2.4 м адМ75 4511 0.17519 30,79 17.34332501 70 1.5

29 7- 2.4 м ад 00 25 115: 0.2С993 12,43 20.95317235 у = бз^збя*"® у = 0,3571эСс,,==1Чг 70 0.73

23 7- 2.4 м 0.Е03 ¿зо: 0.17197 17,ЕЗ 17.157:2405 70 0.73 1,335 -0,26Е :'.3122 0.523

27 7: 2.4 м ад 00 75 345: 0.13675 22,12 15.674345 70 0.75

29.'. 7- 2.4 м :.со1 4504 0.17656 24,59 17.65559:12 70 0.73

36 60 2,4 0,6 0,00925 1900 9,28671 20,35 23,67064459 y = 0,1773^™* ^ я 80 0,25

и 89 2,4 0,6 0,0005 3301 9,26697 32,43 26,69719194 y = бб.Оббк"^11 80 0,25 0,66066 ■0,11 0.1773 0,6316

зз 89 2.4 0,6 0,00975 i 702 0,2537 41,71 25,36939021 80 0,25

39 89 2.4 1,2 0,009 2 5 1336 0,27378 17,07 27,87775205 y - __ 80 0,5

40 SO 2.4 1,2 0,0005 2773 0,13932 20,35 19,93165E65 sa 0,5 1,76 -0,262 0,4691 0,4835

-II SO 2.4 1,1 0,00075 4 ISO 0,192 26,2S 19,20005551 y = 176, OS**'262 so 0,5

41.1 80 2.4 1,2 aooi 5547 0.19709 34.52 19.70923314 80 0,5

4 2 80 2.4 M 0,00025 Ю4Я 0,26769 12,72 26,76867222 y = 0,3672^»» 80 0,75

43 80 2.4 M 0,0005 2098 0r2210fi 17,3 22.1Ü760423 80 0,75 1,0435 -0,198 0,3672 Ür5079

44 80 2.4 i,a 0,00075 3147 0r21767 22,42 21,76730452 y = 104, 80 0,75

44.1 80 2,4 1,8 0,001 41« 0r21467 27,2 21,4665352 80 0,75

fib 90 2.4 0,6 0,00025 1751 0.38233 22,54 38,23278375 y = 0,2964xlí-531 y=2Q8,98)tfl'H5____ 90 0,25

Й7 90 2.4 0,6 0,0005 3502 0r347&6 34,68 34,74619221 90 0,25 2rÛ9 -0,225 0,2964 0,561

fiS 90 2.4 0,6 0,00075 5254 0,29501 42,44 39,5014903 90 0,25

fi4 90 2.4 W 0,00025 1277 0,2652 15,16 26,51983216 y - 0,079Ус "5 90 0,5

fiS » 2.4 u 0,0005 Î554 0,Î75&7 25,23 27,56690984 90 0,5 0,138 0,072 0,079 0,735

fiS 90 2,4 M 0,00075 ÎÎSO U.ÎS754 33,97 28,75893fi03 90 0,5

fi9 90 2,4 l.e 0,00025 966 0,33039 13,66 33,08903042 y = 0,43 64ха50г1 -- 90 О, TS

90 90 г,4 M 0,0005 1932 0,2767? 19,11 27,67861199 90 0,TS 1,3321 -0,204 0,4362 0,5022

91 90 2,4 u 0,00075 2J398 0,26632 24,13 26,63239362 ■ y - ШДВх0'*» 90 С, TS

77 100 2,4 0,6 0,00025 1590 0,45672 23,27 45,67165365 A v= 328,5 ix-"'267__ 100 0,25

73 100 2,4 0,6 0,0005 3131 0,39115 36,33 39,11517365 ____ _ - - -—— ■ ^ - y - 0342SX0'"45 100 0,25 3,2854 -0,267 0.3424 0,5745

79 100 2,4 0,6 0,00975 4772 0,33379 43,24 33,87863536 100 0,25

76 101 2A V 0.KQ5 2315 033539 27,E¿ 33.3391355£ y = ISlSf.^^ ___^ MD 1.3

74 io: 2A V 01ЯМ75 3473 0.332 35,£5 33.2:015737 y = Or22Q9x<*™ ICO ■;.7£75 -0,037 0.22:9 I.5Ï:

96 101 2A V OUODl 4£31 03 5475 43,13 36.477;0115 MD 1.3

50 101 2,4 M 0,1X015 37£ 0.35137 13. К 36.136£0529 y = 0,2 V = 6 3..6lTx^ MD 0.73

SI 101 2A M 0.0:03 1752 0,32507 19,49 32.5171659; Д "---** MD 0.73 0,£3£ -0,037 0.217 0.6Г7

51 101 2A M пятая 2£23 0.3С673 24,E9 30.67310315 MD 0.73

Sï.l 101 2A M ouooi 3503 032939 31,E9 32.93350772 MD 0.73

£S 111 1A с. 5 оцамгз 1417 03C651 22,67 £0.6£135£73 y = 0,2294^""' y = 117,bïT'-111 110 0.23

£9 111 2A Drfi 0.0:03 2334 0.47252 36,01 47.251£6375 110 0.23 1,175 -0,116 0.2294 I.5Ï39

70 111 2A CS :.co:73 4251 0.4^£33 43,29 4¿.532£3324 110 0.23

£7 n: 2A О.КОЗ 29,43 43.01034:37 y = С y = 324,9x'; 110 :.з

£5 in 2A V :.co:73 3:93 0.42955 36,43 42.9E324903 110 1.3 3.2433 -0,231 0.32£9 03537

94. in 2A M 4124 0.4Í391 44,39 40.39093329 110 :.з

71 in 2A M 0.0:03 155; 03523 20,31 33.22952333 37.3934Í3S 37.41256239 # ( 110 0.73 D,43£12 -0,033 0.1377 1.5735

73 in 2A M :.'ГК75 2339 0.17:95 26,32 ■---y - 4S,612x n-°3= V = 3..1377^=T== 110 0.73

95 in 2A M QJCIDI Mi; 0,37403 32,£7 110 0.73

5? 121 2A С 5 СЦ0М25 133.3 0.£54!Б 22,09 £5.447£6533 «---*-- 120 0.23

£0 121 2A Drfi 0.0:03 2467 031235 34,19 £1.237£0365 120 0.23 1.5237 -1,14 0.3337 1.3075

£1 121 2A С 5 :.co:73 370: 0.43Ï91 44,07 43.39121204 y = 0,25^-° V=152rS7^» 120 0.23

5S 12: 2A О.КОЗ 179: 0.49175 27,13 49.173:4501 y = сд^озм-y = s&.sssx1-^1 £- à 120 :.з

56 121 2A V :.co:73 2£9I 0.43£25 35,-3 43.52326441 120 1.3 0,£6£33 0.14:3 0.7026

121 2A M Z.CÜ1 iss; 0.47775 44,32 47.77S2S3 120 1.3

£3 12: 2.4 M 0.0:03 135£ 0.45216 20,E1 46.21615435 120 0.73 2.545£ -0,236 0.3627 03615

54 12: 2.4 M :.'Ж73 2:34 0.42576 26,03 42.37643:05 _----—■---^ 120 0.73

93 Ii: 2.4 M I.C01 2713 0.39133 з:,9 39.15331343 y = 120 0.73

П.6. Пример программы расчёта ТА

Коэффициент теплоотдачи:

Nus-k н

а. ■■= -М = 108.7427053-

ъГ К

Холодный ВОЗДУХ

Давленке колодного: Рх ■ 400000. С': Па

Температура на Ехоне: Z^ 46S.0: К

Раскоп:

Geh = 0.004661500000 —

лсотп? с

Универсальная газовал посгсишнм:

Rvoz ■-= 289.0:

Плотность:

гох ■■= —--= 2.35839929б-=§-

Динамическая вязкость: М1Лх'-= 254-10"": Па-с Теплоёмкость:

Срх •-= 1004:

Кннемаггаческая вязкость:

JlAv, J

-- =0.00001077001673 —

1 ГОх с

Рейнольде:

Rett •■= , = 1324.581742

У Нуссельт ХОЛОДНЫЙ

1. Микрокоды старый А1 0.3 =0.3

31 ■-= 0.66=0.66

2. Гофра 60 (Ъ=1.6 ым 1=60 мы) Г Re 750..2710) А2 ■-= 0.0232 = 0.0232

32 ■-= 0.794 = 0.794

3. Гофра 120 (b=l.f ым 1=78.4 мы) (Re £00..2500) A3 i= 0.0287 =0.0287

33 ■■= 0.7 S =Ci.78

4. Микрокоды ноеыи 90 грси (h=1.6 ым 1=78.4 мы) (Re BOO..2100) А4 >= 0.0645 =0.0645

34 ■-= 0.7 =0.7

Критериальная зависимость зти Нуссельта Afe. >= А4-Ren™ = 9.885868966