Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 6

Автор рассматривал сечениятреугольной формы при числах Рейнольдса от 800 до 19 000. Исследуемая секциясодержала более 10 ячеек, в исследовании рассматривался лишь один уголскрещивания – 90° и P/H= 2,4. Однако, интерес представляет то, что автор32рассматривает вариант конверта пластин с зазором между ними (0,1 мм, 2,2 мм,2,6 мм), а также случай замены одной из пластин на гладкую пластину.Основными выводами из данной работы является то, что при контакте пластиннаиболее заметное влияние числа Рейнольдса на распределение температурынаблюдается в верхней части гофрированного канала, а с ростом величины зазорамеждупластинамиэтазависимостьисчезает,приэтоминтенсивностьтеплоотдачи в этой области падает.

В случае замены одной гофрированнойпластины на гладкую характерные особенности в распределении температуры попериметру канала гофра сохраняются. С ростом числа Рейнольдса интенсивностьтеплоотдачи в вершине синусоиды повышается, автор связывает это явление собразованием вихря в этой области.ВещеодномисследованииВ.В.Фокке[92]использованэлектрометрический рН метод, с использованием о-крезолфталеина в качествеиндикатора, для визуализации структуры потока между скрещивающимисягофрами пластины.

Геометрия была такой же, как в описанной работе Фоккевыше; авторы ограничиваются исследованием низких чисел Рейнольдса (10-1000),исследовался конверт из двух пластин, пластины устанавливались с разнымиуглами скрещивания по отношению к основному направлению потока.Г. Гайзер и В. Коттке [94-95] проводили исследование зависимости чиселНуссельта и критерия f для гофр с углом скрещивания 60-160° и соотношениешага к высоте гофра Р/Н от 1,78 до 7,12, а также при числах Рейнольдса 2000.Рабочим телом являлся воздух, исследуемая секция содержала 100 ячеек, чтопозволяет говорить о развитом характере течения.

Местные коэффициентымассопереноса замеряются в данном исследовании благодаря использованиюхимической реакции между реагентом добавленному в газообразной форме квоздуху, который поглощается в влажной бумагой, которой покрыта одна изстенок. Затем они были преобразованы в значения чисел Nu, используя аналогиюмежду массо- и теплопереносом.

Потери давления измерены датчиками давленияустенки.Авторыприводятраспределениеместныхкоэффициентовтеплопередачи и средних значений Nu, а также приводят значения критерия f как33функцию от угла скрещивания гофр φ. При равных условиях значения критерия fимеют хорошую сходимость с исследованиями Фокке [92] и других авторов.Сравнение чисел Nu не было проведено.В 80-х гг. XX в.

сотрудниками Ленинградского технологического институтахолодильной промышленности (ЛТИХП) было выполнено экспериментальноеисследование теплообмена при вынужденной конвекции в каналах пластинчатоготеплообменника, скомпонованного из пластин размером 0,5×2, потоков вода–водаи вода–раствор бромистого лития концентрации 58,2 % [55]. В результатеисследованиявыведенаэмпирическаярекомендуютиспользоватьеедлязависимость,расчетаавторытеплоотдачиисследованияприразвитомтурбулентном течении, которое для данного пластинчатого аппарата наблюдаетсяпри Re˃100.Вработе[38]представленырезультатытеоретическихиэкспериментальных исследований тепло- и массообмена в одно- и двухфазныхсредах, сепарации гетерогенных систем.

Исследования проведены в целяхповышениябезопасностииэффективностиэнергетическихустановокипозволили разработать новые методы интенсификации тепло- и массообмена,сформировать новые научные направления, создать принципиально новыеаппаратыгидроциклонноготипа,математическиемоделипроцессовиинженерные методы их расчета.В работе [26] рассматривается постановка задачи по исследованиютеплогидравлических характеристик высококомпактных пластинчато-ребристыхповерхностей теплообмена со смещенным ребром.В рассмотренных работах достаточно подробно рассмотрены вопросыисследования поверхностей и выбора наиболее эффективных поверхностейтеплообмена, однако вопросы разработки методики расчета и проектирования сиспользованием трехмерных программ практически не исследованы.

В работахДж. Стейсик, М.В. Коллинс, M. Чиофало, P. E. Чу [103] рассмотрена верификациятрехмерной методики расчета с использованием программы Fluent ANSYS.Однако в данной работе рассматривается лишь один вид сетки, что исключает34возможность выбора наиболее оптимального варианта построения расчетнойсетки при минимальных затратах времени и компьютерных мощностей.

В даннойработе также не рассмотрены реальные условия создания пластин и штампов дляих изготовления, не рассмотрены вопросы соединения пластин в конверты ипакеты.ВЫВОДЫ1. Направлением работы является актуальная на сегодняшний деньразработка ГТД с регенерацией тепла. Применение сложных термодинамическихциклов (регенерация тепла) в авиационной и энергетической отрасли обоснованоувеличением топливной эффективности (до 362. Выбрана ключевой узел, необходимый при разработке ГТД срегенерацией тепла – теплообменный аппарат. Рассмотрены характеристикиповерхностей теплообмена и выбраны наиболее подходящие варианты. Учитываятребования, предъявляемые к теплообменному аппарату для ГТД с регенерациейтепла, а именно: работа при высоких температурах (до 1000 К) и давлениях (до400 кПа), а также минимальные массогабаритные показатели, сделан выбор впользупластинчатыхтеплообменныхаппаратовстеплопередающейповерхностью типа «набивки Френкеля».3.

Проведено сравнение интенсивности теплообмена при различных углахскрещивания поверхности теплообмена типа «набивки Френкеля». Основываясьна экспериментальных результатах, выполненных в работе [80], сравнивалисьпри всех прочих равных условиях поверхность теплообмена с гладкими каналами(с углом скрещивания 0°) и при угле скрещивания в 37°. Результаты показали, чтоувеличение угла скрещивания пластин ведет к возрастанию в 1,3-1,6 раза числаNu и в 1,4-1,6 коэффициент потерь давления ξ по сравнению с гладким каналом.5. Проанализированы работы, проведенные в области теплообменныхаппаратов с «набивкой Френкеля». Выявлены основные актуальные направления,требующие дополнительного исследования и совершенствования.352.

ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОФРА ПЛАСТИНЫТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА2.1 Характеристики поверхностей теплообменаВ работах [26, 38, 39, 43, 47, 49, 73, 80 и др.] показано, что значительнаястепень интенсификации наблюдается при взаимодействии скрещивающихсяструек жидкости, что реализовано в теплопередающей поверхности типа«набивкиФренкеля».Такогородаповерхностьпредставляетсобойгофрированные листы, смежные пластины которых имеют практически точечныйконтакт по вершинам гофров, таким образом, образуют каналы сложной формыдля движения теплоносителей [80].Характеристикиповерхностейтеплообменавзначительноймереопределяют массогабаритные показатели теплообменников. Подбор поверхностейтеплообмена с увеличенной, по сравнению с гладкими поверхностями,интенсификацией теплообмена позволяет в ряде случаев получить существенноеуменьшение потребной площади поверхности теплообмена, тем самым снизитьмассу и объем теплообменного аппарата.В данном разделе будут рассмотрены теплогидравлические характеристикиповерхностей теплообмена по типу набивки Френкеля.Поверхность типа набивки Френкеля предоставляет обширные возможностидля интенсификации теплообмена в неоребренных теплопередающих матрицах.Данная поверхность теплообмена может быть образована гофрированнымилистами, у которых гофры на смежных пластинах направлены под некоторымуглом φ друг к другу [73].

В качестве определяющего размера взята высотапрофиля гофра, а коэффициент теплоотдачи отнесен к поверхности плоскихпластин. Турбулизация при течении теплоносителя по сложному каналу пластиндостигается за счет взаимодействия скрещивающихся струек жидкости, чтоприводит к увеличению теплоотдачи. Варьируя угол наклона гофров φ можно вшироких пределах изменять интенсивность теплообмена.36Как показали исследования, проведенные К. П. Говардом, интенсификациятеплоотдачи в поверхностях типа набивки Френкеля возможна при весьма малыхразмерах поперечного сечения каналов, что является необходимым условиемсоздания компактного теплообменника. Исходя из данных работ [80, 73, 38, 39,43, 47, 49, 26 и др.] были проанализированы геометрические размеры гофрапластинчатого теплообменника с поверхностью по типу Френкеля.Во всехработах сделаны похожие эксперименты с подобными геометрическимиразмерами, в связи с этим целесообразно положить в основу несколькоисследований, наиболее удовлетворяющих по теме исследования и размерампластины.

В настоящей работе используются исследования, изложенные вработах [73,80,39], поскольку рассматриваемые параметры теплообменныхпластин ориентированы на ГТД сложного цикла. Геометрические параметрыиспытанных образцов приведены в таблице 1, а принятые обозначения величин —на рисунке 14.Рисунок 14 - Обозначение величин гофраРезультаты испытаний представлены в таблице 2 и на рисунке 15. Основнымфактором,определяющиминтенсивностьтеплоотдачи,являетсяуголскрещивания гофров на смежных листах φ, как видно из рисунка 15, приувеличении угла φ от 0 до 96° коэффициент теплоотдачи возрастает в 3,8...4,2раза, а коэффициент сопротивления в 11 - 18 раз [73,80].37Таблица 1- Геометрические параметры экспериментальных образцов [80]φdэОбразец граммдL/ dэh’ммt’ммS',мм2П’/ t’δ,ммr1ммr2ммПл-101,7246,41,292,571,461,480.10,60,6Пл-220 1,5451,01,302,571,471,490,10,60,6Пл-337 1,5452,91,292,571,461,480,10,60,6Пл-466 1,5350,51,272,571,441,470,10,60,6Пл-596 1,5449,21,292,571,461,480,10,60,6Пл-6144 1,4927,21,222,571,381,440,10,60,6Пл-701,7086,21,232,571,391,440,10,60,6Пл-814 1,5097,51,232,571,391,440,10,60,6Пл-922 1,5096,31,222,571,381,430,10,60,6Пл-1035 1,4996,51,212,571,37I,430,10,60,6Пл-1121 1,5450,71,292,571,461,480,10,60,6Пл-1221 3,1447,22,445,075,871,460,11,11,1Пл-1321 0,9736,70,841,60,561,440,10,30,3Пл-1421 2,5259,51,94,833,891,280,220,50,5Пл-1529 1,6049,01,342,401,431,190,120,350,30Пл-1629 1,7848,31,992,422,121,970,120,350,35Пл-1731 2,1447,43,272,563,752,730,120,120,12Пл -18 29 1,3459,1 1 ,97 2,42 1 ,601,970,120,120,60Пл -19 29 2,1853,51,930,120,690,121,902,442,5638Таблица 2- Экспериментальные данные [73,80]ReОбразец2003004006001000 2000 4000Nu3,463,94,245,0ζ0,3170,218Nu4,34,82ζ0,370,255Nu4,655,2ζ0,4480,310Nu-6,2ζ0,6400,463Nu---19,027,0ζ1,20,9250,930,971,04 0,975 0,83Nu7,011,315,523,032,551,5-ζ9,58,88,47,87,26,5-Nu--3,654,15,08,315,8ζ-0,2Nu--ζ-0,25Nu--ζ-0, 2576,310,216,3Пл-10,170 0,118 0,088 0,059 0,0475,36,28,013,020,7Пл-20,200 0,140 0,105 0,075 0,0575,76,99,515,725,0Пл-30,240 0,170 0,134 0,104 0,086,859,114,724,039,0Пл-40,363 0,282 0,278 0,237 0,19739,059,0Пл-5Пл-6Пл-70,154 0,108 0,076 0,055 0,048-5,17,111,418,4Пл-80,195 0,138 0,101 0,072 0,056-5,97,912,620,2Пл-9390,21 0,148 0,113 0,085 0,068Продолжение таблицы 2Nu---6,89,515,024,2ζ-0,30Nu4,34,85,2ζ0,370,250,20 0,146 0,107 0,079 0,062Nu-5,55,9ζ0,390,27Nu-5,5ζ0,420,290,228 0,166 0,133 0,103Nu-5,25,55ζ0,400,280,225 0,160 0,120 0,083 0,064Nu--ζ-0,35Nu--ζ-0,275Nu--ζ-0,275Nu--ζ0,310,24Nu--ζ0,4800,340Пл-100,235 0,165 0,145 0,104 0,0846,17,912,619,5Пл-116,89,014,222,0Пл-120,217 0,155 0,120 0,082 0,0625,96,89.014,222,0Пл-136,48,213,020,3Пл-145,97,210,215,823,3Пл-150,268 0,185 0,14 0,097 0,0735,56,89,4014,421,2Пл-160,214 0,155 0,117 0,081 0,065,36,58,713,219,3Пл-170,214 0,155 0,117 0,084 0,064,555,657,812,819,8Пл-180,195 0,150 0,115 0,086 0,0665,77,410,215,823,2Пл-19400,270 0,200 0,150 0,120 0,0861,4ζ1091,281Пл-17Пл-260,850,6Пл-34Пл-430,420,2Пл-510Пл-60200300400600100020004000Rea)Nu807060Пл-150Пл-240Пл-330Пл-420Пл-510Пл-60200300400600100020004000Reб)Рисунок 15 - Характеристики неоребренных поверхностей типа набивкиФренкеля [34,38 ]а) Зависимость ζ(Re) б) Зависимость Nu(Re)41В работе [80] показано, что к заметному увеличению интенсивности теплообменаприводит, и установка пластин под умеренными углами: при φ = 37° значения Nuи ζ возрастают в 1,4-1,6 раза по сравнению с φ=0.

Следует отметитьблагоприятное соотношение между ростом Nu и ζ в области φ = 0...37°:коэффициент увеличивается приблизительно пропорционально критерию Nu.Увеличение относительной длины каналов L/dэ с 50 до 100 приводит кнезначительному изменению характеристик. В этом можно убедиться, еслисравнить приведенные в таблица 2 результаты испытаний образцов Пл-1- Пл-3(L/dэ ≈50) и Пл-7-Пл-10 (L/dэ ≈100) [73,80].Часть каналов опытных конвертов не имела сквозного протока рабочейжидкости. Эта часть каналов одним из своих концов упирались в боковые стенки,вследствие наклонного расположения гофров.