Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 13

Эти расчеты должны сопровождаться тщательным анализомполучаемых результатов и выполняться, как правило, в нескольких вариантах, чтопозволит более обоснованно выбрать оптимальный режим работы данногоаппарата [34].Поверочные расчеты обычно выполняются чаще, чем проектные. Следуетотметить, что тепловые расчеты поверхностных теплообменных аппаратов тесносвязаны с расчетами гидромеханическими и конструктивными. Некоторыеважные вопросы, например, выбор оптимальной скорости движения рабочихсред, характерных размеров каналов, по которым течет теплоноситель, решаютсяобычно при совместном выполнении этих расчетов.4.2.3.

Основные уравнения теплового расчета теплообменных аппаратовОсновные уравнения теплового расчета теплообменных аппаратов сводятсяк уравнениям теплового баланса и теплообмена [50].Уравнение теплового баланса теплообменных аппаратов служит чаще всегодля определения тепловой нагрузки Q.Уравнение теплового баланса для однофазной рабочей среды в количествеG кг/ч в дифференциальной форме имеет вид:(10)Интегрирование последнего уравнения дает величину тепловой нагрузки(при постоянном расходе нагреваемой среды):93(11),где cm – средняя теплоёмкость в данном температурном интервале;t’, t”– начальная и конечная температуры рабочей среды.В тепловых расчетах часто пользуются понятием о так называемом водяномэквиваленте рабочих сред W, численная величина которого определяетколичество воды, эквивалентное по своей теплоемкости часовому количествуданной рабочей среды [28].В соответствии с этим для заданного количества рабочей среды G кг/ч притеплоемкости воды, равной 1 ккал/кг град, можно написать:Если тепло первичной (горячей)рабочей среды, для которой известны G1 иc1, воспринимаются вторичной (холодной рабочей средой, для которой известныG2 и c2, то уравнение теплового баланса без учета потерь тепла представляетсобой соотношение:,(12),(13)или,После преобразования:Откуда(14),Из этого можно сделать вывод, что изменения температур однофазныхрабочих сред обратно пропорциональны их водяным коэффициентам.Уравнение теплообмена служит чаще всего для определения поверхноститеплообмена F.(15)94где k – коэффициент теплопередачи;F – поверхность теплообмена.Абсолютное значение площади поверхности теплопередачи F не влияет наинтенсивностьпроцессовтеплообмена.Влияниеоказываетгеометрияповерхности как с точки зрения интенсификации процессов теплообмена, так и сточки зрения компактности теплообменных устройств.Коэффициент теплопередачи в простейшем случае для плоской стенкирассчитывают по формуле:(16),где:исоответственно;- коэффициенты теплоотдачи для горячей и холодной сред- толщина стенки;коэффициент теплопроводности материаластенки.Величины,ипредставляютсобойтермическиесопротивления теплоотдаче от горячей среды к стенке, стенки и теплоотдаче отстенки к холодной среде соответственно.Интенсивность передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному,главным образом, зависит от коэффициента теплопередачи.

Однако, знаниячисленногозначенияодноголишькоэффициентатеплопередачидляисследования процесса недостаточно. Сделать правильное заключение и добитьсясущественного изменения теплового потока можно только на основе анализасоотношений всех термических сопротивлений, входящих в выражение длякоэффициента теплопередачи.Значение коэффициента теплопередачи, определяемое по уравнению (5),всегда меньше меньшего из значений .

Поэтому, если имеет место существенноеразличие в значениях коэффициентов теплоотдачии, то необходимопредпринять действия по увеличению меньшего из значений .Прибольшихзначенияхкоэффициентовтеплоотдачикоэффициенттеплопередачи в значительной степени зависит от термического сопротивления95стенки. В этом случае необходимо принять меры по снижению термическогосопротивления стенки путем подбора соответствующего материала стенки (свысоким значениеми, по возможности, с минимальным значением ).Уравнение теплообмена (4) предназначено для расчетов при постояннойтемпературе вдоль поверхности теплообмена.

В реальных условиях температурарабочих сред вдоль поверхности теплообмена чаще всего постоянными неостаются. Одновременно с изменением температур рабочих сред вдольповерхности теплообмена изменяется и разность температур или температурныйнапор Δt=t1-t2. При этом процессы могут быть стационарные и нестационарные.Большое влияние на процесс теплообмена оказывает относительное движениетеплоносителей.Относительноедвижениетеплоносителейоказываетсущественное влияние на величину движущей силы процесса теплопередачи.Кроме того, взаимное направление движения теплоносителей может существенноизменить технологические условия протекания процесса теплообмена (экономиятеплоносителя, создание более мягких условий нагрева или охлаждения) [82].При наличии теплообмена температура теплоносителя различна как посечению, так и по длине канала.

В технических расчетах обычно имеют дело с такназываемой средней температурой теплоносителя. Для сечения в качествесредней обычно применяется температура смешивания, которая получается врезультате хорошего перемешивания теплоносителя.Усреднение температуры теплоносителя по длине канала может бытьпроизведено по-разному. При небольшом изменении температуры теплоносителяв качестве средней берется среднеарифметическая из ее крайних значений:(17)В общем случае усреднение производиться по следующей формуле:(18)где– температура стенки;– среднелогарифмический температурныйнапор:96(19)Здесь–температурныйнапор(разностьтеплоносителя и стенки) на одном, а.Среднелогарифмическиймеждутемпературами– на другом конце канала, причемтемпературныйсреднеарифметического, но принапорвсегдаменьшеразница между ними пренебрежимомала (меньше 4%) [50].Основным направлением при совершенствовании методов расчета являетсясокращение времени на его проведение, а также повышение точности ивизуализации полученных данных.

При применении современных программ 3Dрасчета появляется возможность объединить некоторые из перечисленныхметодоврасчетногопроектирование,исследования,темсамымсократитьвремянаучесть намного больше факторов влияния и представитьрезультаты расчета в наглядном виде (поля скоростей, температур, давлений).Поэтому одной из основных задач данной работы является использованиесовременных программ расчета и сокращения временных затрат на расчет.Посколькудлярасчетанеизбежнотребуютсятрехмерныемодели,тоцелесообразно использование и трехмерных программ проектирования.

Этопозволит снизить время подготовки расчетных моделей и вероятность ошибки вих геометрии. Вместе с этим сокращение времени проектирования может бытьдостигнуто с применением методов параметризации геометрической модели.ПрипроектированииГТДсложногоциклацелесообразновписыватьтеплообменный аппарат в уже существующую конструкцию, поскольку этосократит материальные и временные затраты на проектирования нового ГТД сулучшеннымипараметрами.Однако,существующиеметодырасчета,отталкиваются от эффективности, которое необходимо получить и далеевычисляется требуемая площадь поверхности теплообмена. В данной ситуациивозникает сложность, которую возможно решить создав методику, позволяющую97отталкиваться от геометрических размеров и далее получать теплогидравлическиехарактеристики пластины. Таким образом, появится возможность подбиратьтребуемую эффективность теплообменного аппарата и соблюдать ограничения погабаритным размерам теплообменника и двигателя в целом.4.3.

Разработка алгоритма методики проектирования и расчетатеплообменного аппаратаОсновнойзадачейразрабатываемойметодикиявляетсяразработкапластины с заданными габаритными размерами. Поэтому на выходе необходимополучитьтакиепараметрытеплообменникакак:степеньрегенерации(КПД/эффективность) и потери давления. Целесообразно на первом этапе начатьпроектирование с оценки этих параметров. Для решения данной задачинеобходимо разработать программу оценочного расчета, которая позволит сузитьдиапазон исследуемых размеров.

На следующем этапе необходимо провестиболее точный расчет пластины, для решения данной задачи возможноиспользование методов трехмерного численного моделирования. Преимуществомданного способа расчета является то, что при его использовании становитсявозможным визуализировать результаты расчетов, т.е. представить поляраспределения скоростей, давлений и температур по любому срезу модели.Однако, для проведения расчета необходимо создать геометрию самой пластиныи теплоносителей. Создание геометрии возможно в любой из программтрехмерного проектирования таких как Autodesk Inventor, SolidWorks и др. Вслучае, когда геометрия используется один раз подойдет обычное трехмерноемоделирование, но в данном случае при постоянной геометрии гофра могутизменяются размеры пластины и угол скрещивания.

В связи с этим целесообразноиспользоватьпараметрическогометодыпараметрическогопроектированияпозволяетпроектирования.Методспроектироватьсборку,объединяющую в себе геометрические модели пластины и оснастки, связанные смоделями теплоносителей. Благодаря этому при изменении размеров пластиныавтоматически будут готовы имодели для98изготовления оснастки нафрезеровальном станке с ЧПУ, и геометрия пластины и теплоносителей длярасчета. Таким образом методика расчет и проектирования имеет следующийалгоритм, представленный на рисунке 42.Рисунок 42 - Алгоритма методики проектирования и расчетаИсходя из этого, можно сформулировать основные задачи, которыенеобходимо решить при разработке методики.1.Разработкапараметрическихгеометрическихмоделейпластины,оснастки и расчетных моделей теплоносителей.2. Разработка метода трехмерного численного моделирования сопряженнойзадачи теплопередачи и газодинамики.993.

Верификация метода трехмерного численного моделирования.4. Проведение расчетного исследования для получения критериальныхзависимостей и разработка оценочной программы расчета на их основе.4.3.1. Параметрическая методика проектирования пластины теплообменногоаппарата и оснасткиВ настоящее время трудно представить проектировочные работы безиспользованиякомпьютернойтехники.Этообусловленоусложнениемконструкций авиационных двигателей и летательных аппаратов (ЛА). Основнойзадачей конструкторских бюро является сведение к минимуму ошибок,допущенныхИспользованиеприпроектированиисистемсложныхавтоматизированноготехническихпроектированияустройств.позволяетсущественно повысить качество проектирования и производительность трудасотрудников при создании новых технических устройств.