Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 11

Воздух из воздушной магистрали попадает в фильтр отстойник (2),далее по гибкому подводу (3) проходит через мерную шайбу (4) и по гибкомуподводу (5) в исследуемый образец матрицы теплообменного аппарата (6). Висследуемом образце воздух совершал два хода по теплообменному тракту идалее поступал в регулируемый электронагреватель (8). Далее нагретый воздухвновь поступал в теплообменник в качестве горячего теплоносителя. Пройдяисследуемый образец, воздух выбрасывается в атмосферу. Регулирование расходавоздуха проводилось с помощью кранов отсечного (1) и регулирующего (7).Воздушная система стенда питается от сети промышленного сжатого воздуха.Подача сжатого воздуха к объекту испытания производится последовательночерез ручной и автоматический отсечные краны, расходомер и ручной иавтоматический регулирующие кран.Ручной отсечной кран стоит первым по потоку и полностью перекрываетподачу сжатого воздуха на стенд.

Параметры воздуха перед, после и по трактуизмеряются датчиками давления и температуры. Средства и диапазон измеренийпредставлены ниже.74В процессе эксперимента снимались данные температуры:температура воздуха перед мерной шайбой; температура воздуха на входе холодного контура; температура воздуха на выходе холодного контура; температура воздуха на входе горячего контура; температура воздуха на выходе горячего контура; температура электронагревателя.Стенд обеспечивает следующие параметры воздуха:- диапазон температур от 10 до 800°С;- диапазон расходов от 0 до 1,5…9 г/с;-давление до 400 кПа.Стенд предусматривает подключение датчиков давления, расхода итемпературы для замера параметров теплообменника, а также предусматриваетуправление расходом и температурой теплоносителей.

Схема и фото стендапредставлено на рисунке 36.В процессе эксперимента снимались данные по давлениям: давление воздуха перед мерной шайбой; перепад давления воздуха на мерной шайбе; давление воздуха на входе/выходе холодного контура; давление воздуха на входе горячего контура.75Рисунок 36 – Схема испытательного стенда1- Кран отсечной; 2- Фильтр-отстойник; 3- Гибкий подвод; 4- Расходомер;5- Гибкий подвод; 6- Объект испытаний – теплообменник; 7- Кранрегулирующий; 8- Электронагреватель.Перечень используемых средств измерения, параметров, измеряемых впроцессе испытаний, и приведен в таблице 5.76Таблица 5– Параметры измерительных средств экспериментальнойустановки.Диапазо№нНаименование параметрап.п.измеренСуммарнаяЕдиницыпогрешностьизмерения, %ия1Давление воздуха на входе ЭУ0…600кПа2Давлениевходе0…600кПа±1,0отверхнегопредела (ВП)±1,0 от ВПДавление воздуха на выходе0…600кПа±1,0 от ВП0…600кПа±1,0 от ВП0…9гр/с±1,0 от ВП0…200°С±1,25 от ВП0…200°С±1,25 от ВП0…400°С±0,75 от ВП0…400°С±0,75 от ВП0…400°С±0,75 от ВП0…400°С±0,75от ВПвоздуханахолодного контура3холодного контура4Давлениевоздуханавходегорячего контура6Расход воздуха7Температура воздуха на входеЭУ8Температура воздуха на входехолодного контура9Температура воздуха на выходехолодного контура10Температура воздуха на входегорячего контура11Температура воздуха на выходегорячего контура12ТемпературавоздухавнагревателеДля измерения давления использовались датчики статического давления,77дляизмерениятемпературыиспользовалисьтермопарыматериалположительного электрода Fe, материал отрицательного электрода Cu(55%)Ni(45%).Регистрация и обработка параметров объекта испытаний и стендовогооборудования осуществляется измерительной системой на базе измерительногооборудования и программного обеспечения производства фирмы «Овен».783.5.3 Условия и порядок проведения испытанийПодготовка к испытаниям проведена в следующей последовательностиэтапов:- смонтировать теплообменник в корпусе экспериментальной установки;- провести проверку герметичности холодного канала;- провести проверку герметичности горячего канала;- установить в корпус экспериментальной установки электронагреватель;- смонтировать систему измерений;- подключить электрооборудование экспериментальной установки;- провести тестовую проверку системы измерений;- провести тестовую проверку электронагревателя.В процессе проведения испытаний должны быть выполнены следующиезадачи:а) Определение теплогидравлических параметров на выходе из холодногои горячего контуров при постоянных расходах, температурах и давленияхгорячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник (замервыполняется для 4 температур: 350; 380; 400; 430 К).б) Выполнение пункта, а) для различных расходов начиная с 5 гр/с, сшагом 1,0 г/с до 8 гр/с, для каждой из 4 температур.в) Результаты испытаний по требуемым точкам обработать и на основанииих построить зависимости Tвых(Gв) и Рабс(Gв).Схемытечения горячего и холодного теплоносителя представлена нарисунке 37.79Рисунок 37 – Схемы течения в экспериментальном образцеПроцесс снятия данных произведен следующим образом: температуры идавления для всех участков цепи снимались после установления режима(порядка 10 мин).

Для каждой экспериментальной точки снималось не менее 1015 показаний, которые потом усреднялись. Показания снимались каждые 5секунд с момента включения записи данных. Показания сохранялись в базуданных, которая после проведения эксперимента была преобразована в файлMSExcel.Следуетзаметить,чтопервыйобразециспытанийоказалсянегерметичным, поэтому изготовлен второй образец с более толстой стенкой –0,4 мм.803.5.4 Анализ и обработка экспериментальных данныхПри обработке опытных данных значение в точках находилось каксреднеарифметическое, т.е.

производилось по формуле:(2)Расход определялся расчетным способом, основываясь на перепадедавления. В эксперименте использовалось цилиндрическое сужающее устройство,диаметром 4 мм. Методика определения расхода приведена ниже (основана наметодических указаниях РД 50-411-83).Исходные данные:D – диаметр трубы;d – диаметр отверстия сужающего устройства;р – абсолютное давление перед диафрагмой;р – перепад давления;ном – плотность среды при нормальных условиях;Та– температура при проведении эксперимента;К – коэффициент сжимаемости среды;r1, r2 – радиусы трубы и отверстия сужающего устройства.R- универсальная газовая постоянная.Определение плотности производилось исходя из уравнения состояния:(3)Площадь отверстия трубы:(4)Площадь отверстия диафрагмы:(5)81Относительная площадь:(6)Сужающие устройства допускаются к применению, только в той областичисел Рейнольдса, где коэффициент расхода можно считать постоянным.

Областьпостоянствакоэффициентарасходаспециальныхсужающихустройствограничена как нижним, так и верхним граничным числом Рейнольса [69]. Дляданного сужающего устройства нижний граничный предел Remin=22000, аверхний граничный предел Remax=107.Для нашего случая значения коэффициентов расхода () в зависимости ототносительной площади сужающего устройства определяются по формуле:(7)Расчет поправочного коэффициента ε:(8)где  - показатель адиабаты, равен 1,4.Расчет массового расхода:(9)На основании полученных и обработанных результатов построены графикизависимостей температуры на выходе из контура и давления на входе в контур отрасхода (рисунках 38,39).82Рабс, ПаРасб хол приТг.вх=430 °C160000150000140000Расб хол приТг.вх= 400 °С130000120000Расб холприТг.вх=380°С11000010000090000Расб хол приТг.вх=350°С800005,66,7G, гр/с7,88,6Рисунок 38 – Зависимость абсолютного давления от расхода при различныхTвх для холодного теплоносителя2670Расб горприТг.вх=400°СРабс, Па26602650Расб горприТг.вх=430°С26402630Расб горприТг.вх=380°С2620261026005,636,717,80G, гр/с8,60РасбгорприТг.вх=350°СРисунок 39 – Зависимость абсолютного давления от расхода при различныхTвх для горячего теплоносителя83Как видно из графиков, температура на выходе из холодного контурауменьшается при росте расхода.

Это объясняется тем, что при этом повышаютсяскорости теплоносителей и, следовательно, время пребывания теплоносителя втракте теплообменника сокращается, поэтому теплопередача ухудшается посравнению с меньшими расходами. В свою очередь при росте расхода и скоростейв теплообменном аппарате растут и потери, как это показано на рисунке 39.Из графика следует, что при равных входных параметрах с увеличениемрасхода абсолютные потери по тракту холодного контура составляют 68 %.Объяснением таких больших потерь давления является проблема в технологииизготовления образца. Как сказано выше, аддитивная технология селективноголазерного спекания обеспечивает лишь частичную плавку, необходимую дляспекания материала, что допускает некоторое отклонение от рисунка, за счетприлипания частиц к напечатанной поверхности (рисунок 40).

Более того из-засложности геометрии экспериментального образца, продувка сжатым воздухом непозволяет удалить весь порошок внутри тракта, который в процессе изготовленияслужит поддержкой для детали.Рисунок 40 – Дефекты изготовления, выявленные при испытании образца(для горячего контура)84К этому добавляется шероховатость поверхности и сложность геометриитеплообменного аппарата с поворотом на 180°. Со снижением расхода потериснижаются.

По сравнению с холодным, горячий контур имеет гораздо болеевыгодную для очистки и прохождения геометрию. Касательно, горячего контураможно сказать, что потери по тракту практически не меняются. Данная картинанаблюдается на всех режимах, проведенных в эксперименте.В рассмотренном эксперименте расхождение теплового баланса с учетомпогрешности датчика 2 %. Данный дисбаланс сохраняется на всех режимахпроведения эксперимента. Не соответствие теплового баланса между контурамиобъясняется потерями системы.По результатам испытаний можно сказать, что технология SLS необеспечивает на данный момент требуемой точности изготовления и требуетдальнейшей отработки.ВЫВОДЫ1.Рассмотрены три технологии изготовления теплообменного аппарата.По каждой технологии были изготовлены оснастка и образцы.2.Изготовлены пластины методом штамповки эластичной средой,выявлено, что данной технологией не удается получить высоту профиля гофраболее 1,4 мм.3.Изготовлены пластины методом штамповки на инструментальныхштампах, установлено, что данной технологией в настоящий момент удаетсяполучить высоту профиля гофра 2 мм.4.Сформулированы необходимые технологические ограничения итребования для конструкции теплообменного аппарата.

Обоснован выборматериала и отработана технология предварительной подготовки пластин ксварке. Выбран тип сварки, данный тип является первоначальным приближением,позволяющим отработать технологию изготовления.5.Разработано приспособление для совместного позиционированияпластин в конвертах перед осуществлением сварки. Данное приспособление85(ложемент) изготовлено из капролона с медными втулками, испытание показало,что ложемент позволят повысить точность позиционирования пластин в конверте.6.Проведена адаптация режимов роликовой шовной импульснойшаговой сварки для соединения пар пластин в конверты с толщиной листа0,2...0,3 мм из жаростойкого сплава 20Х23Н18.7.Отработана технология лазерной резки деталей из сплава 20Х23Н18,позволяющаяувеличитьточностьизготовлениязаготовокиповыситьпроизводительность.8.Проведенаадаптациярежимовмикроплазменнойсваркидлясоединения сборки конвертов с толщиной листа 0,2...0,3 мм из жаростойкогосплава 20Х23Н18 с матрицей теплообменного аппарата.9.Изготовлен пластинчатый теплообменник по аддитивной технологииселективного лазерного спекания.