Теплообмен и гидравлическое сопротивление в компланарных каналах рекуперативных теплообменных аппаратов жилищно-коммунального хозяйства и бытовой техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Бильмаер, Владимир Васильевич

• Бильмаер, Владимир Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бильмаер, Владимир Васильевич

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, Стр. СИМВОЛОВ,

ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

1.1. Оребренный теплообменный тракт

1.2. Тракт с искусственной шероховатостью

1.3. Теплообменные тракты с пористыми наполнителями

1.3.1. Пористые материалы с упорядоченной структурой

1.3.2. Пористые материалы с высокоразвитой поверхностью теплообмена

1.3.3. Гидравлическое сопротивление пористых материалов

1.3.4. Конвективный внутрипоровый теплообмен

1.3.5. Конструкция пористых теплообменных трактов

1.4. ТРАКТЫ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

ВЫВОДЫ ПО ОБЗОРУ ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ТРАКТАХ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

2.1. Описание экспериментальной газодинамической установки и рабочих участков

2.2. Методика обработки экспериментальных данных. Оценка погрешности измерений

2.3. Анализ и обобщение результатов исследования гидравлического сопротивления в трактах с компланарными каналами

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТРАКТАХ С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

3.1. Экспериментальная электротермическая установка

3.2. Экспериментальные модели тракта с компланарными каналами. Методика препарирования

3.3. Экспериментальная термодинамическая установка

3.4. Методика обработки экспериментальных данных. Оценка погрешности измерений

3.5. Результаты исследования теплообмена в плоских трактах с компланарными каналами

3.6. Результаты исследования теплообмена в цилиндрических трактах с компланарными каналами

3.7. Эффективность тракта с компланарными каналами

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАКТА С КОМПЛАНАРНЫМИ КАНАЛАМИ

4.1. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАКТА, РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ, ТЕПЛОФИЗИКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОБМЕНА

4.2. Методика расчета теплообменного тракта с компланарными каналами

4.2.1. Коэффициент оребрения

4.2.2. Эффективность и оптимальная геометрия оребрения

4.2.3. Метод расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами применительно к рекуперативному теплообменному аппарату

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплообмен и гидравлическое сопротивление в компланарных каналах рекуперативных теплообменных аппаратов жилищно-коммунального хозяйства и бытовой техники»

Актуальность проблемы обусловлена фактом неуклонного роста цен на энергоносители, применяемые в технологических процессах и энергетических службах предприятий жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и бытового обслуживания населения (БОН). Так как в настоящее время на предприятиях ЖКХ и БОН удельный вес энергозатрат в себестоимости выпускаемой продукции и реализации услуг составляет не менее 40%, то задачи эффективной эксплуатации теплоиспользующего технологического оборудования занимают особое место. К категории наиболее теплопотребляющих предприятий БОН относятся предприятия химчистки, стирки и крашения белья и одежды. Развитие рыночных отношений в России диктуют необходимость увеличения научно-технических разработок по исследованию теплоиспользующих технологических процессов, направленных на экономию энергоресурсов и уменьшение стоимости изделия. Теплообменные аппараты входят в состав любого энергетического оборудования. Поэтому крайне важно для предприятий ЖКХ и БОН создание нового высокоэффективного теплообменного аппарата с лучшими, чем у находящихся в эксплуатации техническими характеристиками.

Создание конкурентноспособного высокоэффективного рекуперативного теплообменного аппарата (ТА) во многом зависит от эффективности теплообмена.

В связи с этим актуальной является задача повышения эффективности теплообмена в ТА. В настоящее время в подавляющем большинстве эксплуатирующихся ТА используется трубчатые (гладкие) теплообменные поверхности. Реже - оребренные теплообменные поверхности. Оребренный тракт обеспечивает интенсификацию теплообмена по сравнению с гладким каналом в 1.5.3 раза. Такой уровень интенсификации зачастую не обеспечивает удовлетворительной теплопередачи, так как в последнее время наблюдается тенденция уменьшения массы и габаритов ТА.

Возникает необходимость перехода к новым конструкциям и технологиям изготовления теплообменных трактов, обеспечивающих высокую интенсификацию теплообмена при низких потерях.

Один из перспективных и эффективных методов интенсификации теплообмена заключается в использовании трактов с компланарными каналами в теплообменных устройствах. Тракт с компланарными каналами сочетает в себе два метода интенсификации теплообмена: 1 - увеличение турбулентности за счет закрутки потока, 2 - увеличение поверхности теплоотдачи. Несмотря на актуальность проблемы число публикаций на эту тему мало.

Наиболее широкое использование теплообменный тракт с компланарными каналами получил в авиационной технике. В России первым предложил и начал исследовать теплообменный тракт с компланарными каналами В.М. Кудрявцев с коллегами. Внедрение в серийное производство охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей с компланарными каналами дало мощный толчок в развитии этого метода интенсификации теплообмена.

Но хотя применение тракта с компланарными каналами интенсифицирует теплообмен, наблюдается снижение эффективности теплообмена с уменьшением размеров каналов, что сдерживает применение этого метода во многих ТА. Снижение эффективности теплообмена может происходить и при росте оребрения теплообменного тракта.

Целью работы является исследование нового метода интенсификации теплообмена с использованием принципа компланарного движения теплоносителя в рекуперативных теплообменных аппаратах, позволяющего повысить эффективность теплообмена. Достижение указанной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач:

1. разработка конструкций высокоэффективных компланарных трактов для рекуперативных теплообменных аппаратов;

2. разработка метода расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами;

3. экспериментальное исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в компланарных каналах в зависимости от эквивалентного гидравлического диаметра канала и при наличии турбулизаторов потока теплоносителя;

4. оптимизация параметров тракта с компланарными каналами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан метод расчета параметров теплообменного тракта с компланарными каналами для ТА;

- впервые экспериментально исследовано влияние абсолютных геометрических размеров на гидравлическое сопротивление в компланарных каналах на переходном и турбулентном режимах течения;

- впервые экспериментально исследовано влияние абсолютных геометрических размеров на теплообмен в компланарных каналах;

- впервые экспериментально исследовано влияние турбулизаторов потока теплоносителя на эффективность теплообмена в компланарных каналах.

Достоверность научных результатов:

- подтверждена соответствующим объемом теоретических и экспериментальных исследований, проведенных с использованием современного лабораторного оборудования и апробированных методов обработки результатов исследований;

- удовлетворительным согласованием полученных экспериментальных результатов с экспериментальными данными других исследователей.

Практическая ценность и реализация работы. Полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры теплообменного тракта с компланарными каналами. Разработаны конструкторские решения ТА с компланарными каналами. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективного малоперепадного теплообменного тракта с компланарными каналами. Применение тракта с компланарными каналами в ТА уменьшает его массу за счет высокой эффективности теплообмена.

Результаты работы используются на НИИ "Гиперон" в ОКР. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры "Безопасность производств" МГУС и МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Бильмаер, Владимир Васильевич

7. Результаты работы и пакеты прикладных программ используются на НПП "Гиперон". Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Безопасность производств» МГУС при изучении дисциплин "Теплотехника", "Гидравлика".

Достоверность результатов, полученных автором в настоящей работе, подтверждается удовлетворительным согласованием данных с экспериментальными данными, полученными другими исследователями.

Всего по теме диссертации опубликовано 6 печатных работ [71-76], сделано 5 докладов на российских и международных конференциях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бильмаер, Владимир Васильевич, 2005 год

1. 1Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: Наука.- 1976.-888 с.

2. Анциферов В.Н., Храмцов В.Д., Питиримов О.М. Свойства высокопористых материалов // Порошковая металлургия. 1980. - №12. -С.20-24.

3. Аполлонов В.В., Быстров П.И., Бровольский Ю.А. О возможности использования жидкометаллических носителей для охлаждения элементов силовой оптики на основе пористых структур // Квантовая электроника. -1981. Т.8, №6. -С.1328-1331.

4. Аравин В.И., Нумеров С.А. Теория движения жидкостей и газов в недеформированной пористой среде. М.: Изд-во техн.-теорет. лит., 1953.-616 с.

5. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1968.-510 с.

6. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем.- Л.: Химия, 1979. 176с.

7. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989. - 366 с.

8. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники.- М.: Машиностроение, 1973.- 288с.

9. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1976. - 184 с.

10. Ю.Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении.-М.: Машиностроение, 1981.-248 с.

11. П.Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.-М.: Наука, 1972.-540 с.

12. Галкин М.Н., Попов В.Г., Ярославцев H.JI. Исследование и расчет гидравлических и тепловых характеристик охлаждаемых конструкций с компланарными каналами //Известия вузов. Машиностроение. 1985 -№3- С. 73-76.

13. Гидравлические характеристики оболочек из сетчатых материалов / Ю.А. Зейгарник, А.Ф. Поляков, С.Ю. Сухорученко, Ю.Л. Шехтер // Теплофизика высоких температур. 1996 - Т.34, №6. - С. 924-928.

14. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое Новосибирск : АН СССР, 1984.- 163с.

15. Гомелаури В.И. Влияние искусственной шероховатости на конвективный теплообмен //Труды института физики АН Груз. ССР-1963.-T.IX.-C.112.

16. Гортышев Ю.Ф., Ашихмин С.Р. Надыров И.Н. Исследование теплоотдачи при однофазной конвекции в канале с пористой вставкой // Известия вузов. Авиационная техника.- 1989.- №4.- С-31-35.

17. Гортышев Ю.Ф., Муравьев Г.Б., Надыров Н.Н. Экспериментальное исследование течения и теплообмена в высокопористых структурах // Инженерно-физический журнал. 1987. - Т.53, №3. - С.357-361.

18. Гортышев Ю.Ф., Попов И.А. Исследование теплообмена и гидродинамики в каналах с пористыми вставками // Известия вузов. Авиационная техника 1993,- №3- С. 63-67.

19. Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Якименко Р.И. Интенсификация теплообмена в каналах с искусственной турбулизацией потока // Труды 1-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1994.-Т.8.- С.64-69.

20. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. М.: Высшая школа, 1968. - 396с.

21. Дрейцер Г.А. Компактные теплообменные аппараты.-М.: Машиностроение, 1986.- 74с.

22. Дрейцер Г.А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах // Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1998.- Т.6.- С.91-98.

23. Дрейцер Г.А., Дзюбенко Б.В. Якименко Р.И. Интенсификация теплообмена и анализ методов сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей // Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1998.-Т.6.- С.99-102.

24. Ерошенко В.М., Зайчик ЛИ. Гидродинамика и тепломассообмен на проницаемых поверхностях.-М.: Наука, 1984.-274с.

25. Зарубин B.C. Об оптимальной геометрии оребрения на поверхности теплообмена //Известия вузов. Машиностроение. -1963. -№3. С.26-34.

26. Зарубин B.C. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1966.- 216с.

27. Зейгарник Ю.А., Иванов Ф.П., Икрянников Н.П. Опытные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению в неупорядоченных пористых структурах //Теплоэнергетика 1991-№2 - С.33-38.

28. Ильин Ю.В. Течение газа через пористые металлические перегородки // Известия вузов. Авиационнная техника. 1959. - №1. - С. 65-73.

29. Интенсивность перемешивания теплоносителя в пористых средах / В.В. Воскобойников, А.А. Плаксеев, В.Н. Федосеев и др. // Теплофизика ядерно-энергетических установок. М., 1986. - С. 85-88.

30. Интенсификация теплообмена в кольцевом канале / В.М. Поляев, Л.Л. Морозова, Э.В. Харыбин и др. // Известия вузов. Машиностроение. -1976. №2. - С.86-89.

31. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1976.- 488с.

32. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо C.JI. Интенсификация теплоотдачи в каналах.- М.: Машиностроение, 1990.- 206с.

33. Карлсон, Хоглунд. Сопротивление и теплопередача в соплах ракетных двигателей //Ракетная техника и космонавтика. 1964. - №11. - С. 104109.

34. Кейс В.М., Лондон A.JI. Компактные теплообменники. -М.:Энергия, 1967. -223с.

35. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: Энергия, 1977.-464 с.

36. Коллинз Р. Течения жидкостей через пористые материалы М.: Мир, 1964.-350с.

37. Кох Д., Колони Р. Анализ эффективности охлаждения для случая течения в канале с пористым материалом // Теплопередача.- 1974.- Т.96, №3.- С.66-74.

38. Кох Д., Стивене Р. Увеличение эффективности охлаждения путем заполнения каналов для охладителя пористым материалом // Теплопередача. -1975.-Т.97, №2.- С.153-154.

39. Кудрявцев В.М., Орлин С.А., Поснов С.А. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления в трактах с компланарными каналами // Известия вузов. Машиностроение. -1983. -№4. С.54-58.

40. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. -М.: Атомиздат, 1979. -416 с.

41. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энегроатомиздат, 1990.-376 с.

42. Лыков А.В. Тепломассобмен. Справочник. Москва: Энергия. 1978.- 480

43. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах // Теплоэнергетика,- 1978.-№1.- С.64-70.

44. Майоров В.А., Васильев Л.Л., Поляев В.М. Пористые теплообменные элементы классификация, конструкция, применение // Инженерно-физический журнал.-1984.- Т.47, №3,- С.499-514.

45. Мартиросян А.А., Пелевин Ф.В. Двухкомпонентная вихревая форсунка с компланарными каналами // Известия вузов. Машиностроение. 1993.-№ 7-9.- С. 102-104.

46. Мегерлин, Мэрфи, Берглес. Интенсификация теплообмена в трубах с помощью сеточных и щеточных вставок // Теплопередача. 1974. - №2. -С. 30-38.

47. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования.- Л.: Энергоатомиздат, 1987.- 263 с.

48. Мигай В.К. Об интенсификации теплообмена в каналах путем применения искусственной турбулизации потока // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1965. - №6. - С. 169 - 172.

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

50. Микулин Е.И., Шевич Ю.А. Матричные теплообменные аппараты. -М.: Машиностроение, 1983. -111с.

51. Нагога Г.П., Андреев Ю.М., Белоусов А.И. Теплообмен и сопротивление в каналах с пористым наполнителем // Инженерно-физический журнал.- 1986,- Т.51, №2.- С. 187-194.

52. Пелевин Ф.В. Теплообменный кольцевой тракт с компланарными каналами. -М.: Издательство МГТУ, 1994.- 16с.

53. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -472с.

54. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1988. 168 с.

55. Пористые проницаемые материалы. Справочник. / С.В. Белов, П.А. Витязь, В.К. Шелиг и др.- М.: Металлургия, 1987 335с.

56. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы М.: Энергия, 1978,- 704с.

57. Ройзен Л.И., Дулышн И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. -М: Энергия, 1977. -256с.

58. Савостин А.Ф., Тихонов A.M. Исследование характеристик пластинчатых поверхностей нагрева // Теплоэнергетика 1970 - №9-С. 75-78.

59. Сабуров Э.Н., Леухин Ю.Л., Осташев С.И. Интенсификация теплоотдачи в кольцевых каналах с закрученным течением теплоносителем // Труды 2-ой Российской национальной конференции по теплообмену,-М., 1998.-Т.6.-С. 196-198.

60. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2/пер. с англ. под ред. О.Г.Мартыненко и др.-М.:Энергоатомиздат, 1987.-352с.

61. Тепловая защита лопаток турбин / Б.М. Галицейский, В.Д. Совершенный, В.Ф. Формалев и др. -М.: Издательство МАИ, 1996. -356с.

62. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов / В.И. Локай, М.Н. Бодунов, В.В. Жуйков и др. -М.: Машиностроение, 1985.-216с.

63. Харитонов В.В. Теплофизика лазерных зеркал.- М.: Издательство МИФИ, 1993.- 152с.

64. Харитонов В.В., Атаманов В.В., Киселева Ю.Н. Пределы интенсификации теплоотдачи в каналах с пористыми вставками // Труды 1-й Российской национальной конференции по теплообмену.- М., 1994. -Т.7.- С. 204-213.

65. Харитонов В.В., Плаксеев А.А. Предельные тепловые нагрузки в лазерных зеркалах с охлаждаемой пористой подложной // Теплофизика высоких температур. 1982. - Т.20, №4. - С. 712-717.

66. Шейдеггер А.Е. Физика течения жидкостей через пористые среды.- М.: Гостоптехиздат, I960.- 249с.

67. Бильмаер В.В. Совершенствование теплообменных аппаратов для предприятий сервиса. IX-я Международная научно-практическая конференция «Наука сервису» М.: МГУС, 2004. С. 90-91.

68. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трактах с компланарными каналами / Ф.В. Пелевин, В.В. Бильмаер, Л.А. Каплин, С.А. Орлин// Деп. Рукопись ВИНИТИ 28.05.2004, № 907-В 2004.

69. Бильмаер В.В., Пелевин Ф.В. Разработка нового метода интенсификации теплообмена для оборудования предприятий сервиса //Теоретические и прикладные проблемы сервиса.-2005.-№ 3 С. 15-19.