Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования

Диссертационная работа:

Шевич Юрий Артемьевич. Разработка и исследование высокоэффективных теплообменных аппаратов матричного и планарного типов для компактных низкотемпературных систем и установок : диссертация ... доктора технических наук : 05.04.03 / Шевич Юрий Артемьевич; [Место защиты: ГОУВПО "Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана"]. - Москва, 2008. - 243 с. : 104 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ 16

1.1. Современные теплообменники низкотемпературных установок, их достоинства и недостатки 16

1.2. Особенности конструкций и основные достоинства матричных и планарных теплообменников 21

ГЛАВА 2. СЕТЧАТЫЕ МАТРИЧНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ 27

2.1. Анализ известных исследований теплообмена в сетчатых матрицах и других поверхностях с каналами сложной формы 27

2.2. Исследование турбулентных пульсаций потока в сетчатых матрицах .-.г. 34

2.3. Теплогидравлические исследования сетчатых матриц 43

2.3.1. Теплообмен в плотно упакованных матрицах 43

2.3.2. Влияние размера ячейки сетки на ТГХ 52

2.3.3. Анализ результатов исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в плотно упакованных сетчатых матрицах 55 \

23Л. Влияние величины зазора между сетками в разреженной матрице на её теплогидравлические характеристики 61

2.3.5. Влияние пульсации расхода теплоносителя на теплогидравлические характеристики сетчатых матриц 67

2.4. Повышение эффективности сетчатых теплообменных аппаратов как результат выполненных исследований 81

ГЛАВА 3. МАТРИЧНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ИЗ ПЕРФОРИРОВАННЫХ ПЛАСТИН 84

3.1. Теплогидравлические исследования моделей МТ из 1111 84

3.2. Исследование тепловой эффективности 1111, работающих в режиме оребрения 100

3.2.1. Одномерная модель ребра 104

3.2.2. Исследование двумерного температурного поля и определение эффективности ребра одиночной перфорированной пластины 107

3.2.3. Исследование температурных полей и эффективности рёбер из перфорированных пластин в пакете (матрице) 117

3.3. Анализ геометрических параметров перфорированных пластин матричных теплообменников 125

3.4. Исследование теплогидравлических характеристик матричной поверхности из 1111 при кипении теплоносителя 132

3.4.1. Модели аппаратов матричного типа для исследования теплообмена при кипении 134

3.4.2. Экспериментальный стенд 138

3.4.3. Методика обработки экспериментальных данных 141

3.4.4. Результаты экспериментального исследования кипения на матричной теплообменной поверхности 142

3.4.5. Сопоставление матричного теплообменника-испарителя с испарителями других типов 167

3.4.6. Основные результаты исследования матричных поверхностей при кипении теплоносителя 172

3.5. Испытания опытных образцов матричных теплообменников 174

3.5.1. Испытания матричных теплообменников при криогенных температурах 174

3.5.2. Испытания матричных теплообменников системы охлаждения масла в авиационном двигателе 189

3.5.3. Разработка и испытания матричного подогревателя паров бензина в установках риформинга бензина для малогабаритных нефтеперерабатывающих заводов нового поколения 194

ГЛАВА 4. ПЛАНАРНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 197

4.1. Особенности конструкций планарных теплообменных аппаратов 197

4.2. Численное исследование теплообмена и течения газа в микроканалах различной формы 211

4.3. Результаты численного исследования интенсивности теплообмена и гидродинамического сопротивления в микроканалах различной формы 220

4.4. Экспериментальное исследование планарных микрорефрижераторов, теплообмена и гидродинамического сопротивления в их каналах 234

ГЛАВА 5. ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ, РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 240

5.1. Разработка показателя эффективности теплообменных поверхностей для рекуперативных ТА 241

5.3. Технико-экономическое исследование эффективности матричного теплообменника 258

5.4. Особенности расчета высокоэффективных теплообменных аппаратов криогенных установок 264

5.5. Методика оптимизационного расчёта матричного теплообменника 275

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТРИЧНЫХ И ПЛАНАРНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 290

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 316

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ(с приложением) 320

приложения зза 

Введение к работе:

Актуальность работы. Высокие требования к эффективности, компактности и надежности теплообменных аппаратов в современных установках низкотемпературной техники в сочетании с новыми уникальными технологическими достижениями позволили создать конструкции теплообменных аппаратов (ТА), которые по сути представляют новое поколение в их развитии.

Такими ТА являются высококомпактные матричные аппараты, теплообменная поверхность которых, матрица, представляет собой слоисто-пористый композиционный материал и миниатюрные планарные ТА с щелевыми микроканалами. Оба типа ТА образованы набором плоских элементов. Для матричных ТА это перфорированные пластины (ПП) или элементы, полученные из сеток. Количество ПП или сеток в матрице может быть от нескольких десятков до нескольких сотен и даже тысяч. Количество пластин в конструкции планарного ТА не велико – всего несколько штук, но не менее двух.

Конструкции обоих типов ТА могут быть изготовлены с помощью применения диффузионной сварки для надёжного соединения всех плоских элементов в прочную и герметичную конструкцию. Кроме того, для изготовления плоских элементов конструкций обоих ТА применяется высокоточная штамповка, а также процессы электрохимического травления в сочетании с фотолитографией. Применение таких технологических процессов при изготовлении плоских элементов позволяет создавать совокупность микроканалов со строго заданными геометрическими параметрами.

Применение диффузионной сварки практически исключает отклонение размеров каналов от номинальных размеров, так как такой способ соединения элементов ТА в целостную прочную конструкцию не требует присадочных материалов, флюсов и припоев.

При создании современных эффективных ТА наиболее плодотворными оказались два подхода: первый - создание развитых теплообменных поверхностей (ТП) с малыми значениями эквивалентного диаметра, что позволяет увеличить компактность, т.е. теплопередающую поверхность в единице объема; второй - создание благоприятных гидродинамических условий течения теплоносителя по каналам ТП, обеспечивающих высокие значения коэффициентов теплоотдачи при умеренных гидравлических сопротивлениях.

При создании матричных и планарных ТА, так же как и при создании ряда других эффективных ТА, эти два подхода соблюдаются одновременно. Теплообменные поверхности этих ТА имеют высокую компактность (значения S достигают 3000 – 10000 м23), а эквивалентные диаметры каналов могут иметь значения меньше 1 мм. Форма и размеры каналов ТА создают эффективную маломасштабную турбулизацию теплоносителя, которая существенно уменьшает термическое сопротивление пограничного слоя.

Особенности конструкций матричных и планарных ТА позволили получить высокопрочные аппараты, способные работать при высоких давлениях теплоносителей, что делает их альтернативными широко распространенным трубчатым ТА. Еще одним достоинством матричных ТА, является низкая продольная теплопроводность стенок каналов матрицы, что приводит к уменьшению отрицательного влияния этого фактора на эффективность ТА, способных работать при высоких значениях теплового КПД (более 95 %).

Выполненные исследования соответствуют перспективным направлениям развития науки, технологий и техники РФ.

Цель работы. Создание высокоэффективных матричных и планарных теплообменных аппаратов нового типа для компактных криогенных систем и установок с применением современных технологий.

Задачи исследования.

1. Проектирование и изготовление матричных и планарных ТА с параметрами, превосходящими их альтернативные прототипы.

2. Разработка методов экспериментального исследования интенсивности теплопередачи и гидродинамического сопротивления в моделях матричных и планарных ТА. Создание экспериментальных установок для исследования интенсивности теплопередачи и гидродинамического сопротивления в моделях и образцах ТА в условиях вынужденной конвекции при стационарных и пульсирующих режимах течения однофазного теплоносителя, а также при вынужденном течении двухфазного (кипящего) теплоносителя.

3. Экспериментальные и теоретические исследования процессов теплопередачи и гидродинамического сопротивления в матричных и планарных ТА, систематизация и обобщение результатов исследований с целью создания методов оптимизационного проектирования этих типов ТА

4. Теоретические и экспериментальные исследования эффективности перфорированной поверхности теплообмена, функционирующей в режиме вторичной поверхности (поверхности оребрения). Оптимизация геометрических параметров перфорированных пластин.

5. Оценка эффективности исследованных матричных поверхностей теплообмена, работающих в режимах рекуперативного и регенеративного теплообмена, по целевому показателю, учитывающему их тепловые, гидравлические и геометрические характеристики. Разработка метода и методики оценки эффективности поверхностей теплообмена по целевому показателю. Технико-экономическая оценка эффективности матричных ТА.

6. Исследование влияния температурного уровня и вторичных факторов на массогабаритные характеристики матричных ТА.

7. Разработка метода оптимизационного проектного расчёта матричных ТА.

8. Численное и экспериментальное и исследование интенсивности теплообмена и гидродинамического сопротивления в микроканалах планарных ТА.

9. Испытания матричных и планарных ТА в составе систем и установок, работающих в различных диапазонах температур (4,5…550 К); определение прочностных характеристик матричных ТА в условиях воздействия перегрузок различного характера.

10. Формирование технологических требований к конструкциям матричных и планарных ТА, поиск новых технологических приемов для изготовления матричных ТА.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получен большой массив новых экспериментальных данных по интенсивности теплообмена и гидродинамическому сопротивлению при вынужденном течении теплоносителя в матричных поверхностях теплообмена, состоящих из мелких плетёных металлических сеток и перфорированных пластин, обладающих высокой компактностью (до 10000 м23 и более), имеющих широкий диапазон геометрических параметров (Dэ=0,06...7 мм; dяч=0,04...5,5 мм; d0=0,6...2 мм; d=0,155...1,0 мм) и параметров течения газообразного теплоносителя (Re=10...2000); впервые исследованы стабилизация теплообмена по высоте сетчатой матрицы и значения турбулентных пульсаций потока на входе и выходе из матрицы;

- получены новые экспериментальные данные по интенсивности теплообмена при кипении теплоносителя (воды) в матрицах из перфорированных пластин в условиях естественной конвекции и при вынужденном течении теплоносителя; определены значения критической плотности теплового потока;

- впервые изготовлены и исследованы новые конструкции планарных микротеплообменников из металлических пластин с щелевыми каналами глубиной 0,15...0,25 мм различной формы и размеров; получены новые данные по интенсивности теплообмена и гидродинамическому сопротивлению в каналах планарных микротеплообменников с использованием численного и экспериментального методов исследования;

- в результате теоретических и экспериментальных исследований получены новые данные по эффективности перфорированного плоского ребра с одномерным и двумерным температурным полем при постоянной по сечению канала температуре набегающего потока и в условиях деформации профиля температуры набегающего потока предшествующими перфорированными пластинами;

- получены новые данные по оценке относительной эффективности матричных и других высокоэффективных поверхностей теплообмена (трубчатых витых и пластинчато-ребристых) с использованием разработанной методики, целевой функцией которой являются относительный объём (размеры) или относительный тепловой поток, передаваемый теплообменной поверхностью;

- впервые получены данные по оптимизации геометрических параметров (в пределах d0=0,5...8 мм, d=0,5...2 мм, p=0,25...0,75) перфорированной пластины, являющейся теплопередающим элементом матрицы работающим в режиме ребра;

- впервые выполнены исследования и испытания опытных образцов матричных и планарных теплообменников в составе низкотемпературных установок при температурах T 4,5 К, и в других энергетических установках при T 523 K;

- впервые выполнены технико-экономические исследования матричного теплообменника и получена новая информация по оценке его эффективности, которая определялась с учётом затрат за весь жизненный цикл, включая затраты на НИОКР, себестоимость изготовления, стоимость провоза единицы массы, стоимость оборудования для его изготовления и с учётом ресурса эксплуатации.

Практическая значимость работы.

1) Созданы 4 экспериментальных установки (стендов) для исследования теплогидравлических характеристик большого количества технологических, экспериментальных и опытных образцов матричных и планарных теплообменников, конструкции которых защищены патентами и авторскими свидетельствами.

2) Впервые разработаны, изготовлены и испытаны в составе новой техники матричные и планарные теплообменники, созданные с применением диффузионной сварки в вакууме.

3) Разработаны и апробированы методики и программы оптимизационного проектирования матричных теплообменных аппаратов из перфорированных пластин для гелиевого ожижителя ОГ-25.

4) Результаты исследований теплообмена и гидродинамического сопротивления в матрицах из сеток и перфорированных пластин обобщены и представлены в безразмерном виде, удобном для практического применения при проектировании матричных теплообменников с однофазными теплоносителями для компактных криогенных установок.

5) Результаты исследований по теплообмену при кипении теплоносителя в матрицах из перфорированных пластин при естественной и вынужденной конвекции обобщены в широком диапазоне режимных параметров и могут быть применены при проектировании испарителей нового типа.

6) Разработана методика и определена относительная эффективность
17-ти теплообменных поверхностей разных типов (трубчатые витые, пластинчато-ребристые, матричные), показана высокая эффективность матричных поверхностей теплообмена.

7) При создании новых конструкций матричных и планарных теплообменников применены процессы и способы высоких технологий доступные для реализации в промышленном использовании при серийном изготовлении теплообменников такого типа.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена и гидродинамики при течении однофазного теплоносителя в теплообменных аппаратах нового поколения матричного и планарного типов.

2. Результаты экспериментальных исследований процессов теплообмена и гидродинамики при кипении воды в канале с матричной поверхностью теплообмена из перфорированных пластин при вынужденном течении теплоносителя и при естественной конвекции.

3. Способы реализации интенсификации теплообмена в матрицах из сетки и перфорированных пластин путем секционирования элементов матрицы и применением комбинированного расположения перфорированных пластин в матрице.

4. Результаты теоретических и экспериментальных решений задач по определению эффективности плоского перфорированного одиночного ребра треугольной формы, а также ребра, функционирующего в условиях, когда температура потока. омывающего ребро, не является постоянной по сечению канала.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований интенсивности теплообмена и гидродинамического сопротивления в микроканалах планарных теплообменников.

6. Метод оценки эффективности рекуперативных и регенеративных поверхностей теплообмена с помощью относительных показателей (объемного и теплового) и результаты оценки эффективности применительно к матричным и другим поверхностям теплообмена.

7. Результаты оценки технико-экономической эффективности матричного рекуперативного теплообменника, работающего в авиационной энергетической системе.

8. Результаты испытаний опытных образцов матричных и планарных теплообменников в составе криогенных установок и устройств, а также в составе других систем с теплоэнергообменом.

9. Методология расчета высокоэффективных теплообменных аппаратов для криогенных установок с учетом влияния вторичных факторов (продольная теплопроводность стенок каналов, теплоприток из окружающей среды, неравномерность расхода теплоносителя в каналах теплообменника).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: международных конференциях "Cryogenics" (Брно, Чехия, 1992 г., Прага, 1998, 2002 гг., Киев, Украина, 1992 г.); Международном симпозиуме "New Developments in Heat Exchangers" (Лиссабон, Португалия, 1993 г.); 19 международном конгрессе по холоду (Гаага, Нидерланды, 1995 г.); Международном семинаре "Thermal Science Seminar" (Блед, Словения, 2000г.); Международных конференциях "Слоистые композиционные материалы" (Волгоград, Россия, 1998, 2001, 2004 гг.); Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, Россия, МЭИ, 1994, 1998, 2006 гг.); Второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Москва, МАИ, ОАО "ОКБ Сухого" 2004 г.); научных конференциях МГТУ им. Н.Э. Баумана (1995, 1998, 2000 гг.); научных семинарах МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре "Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения" в течение 1990-2007 гг.

Публикации. Общее количество работ, опубликованных по теме диссертации - 98, в том числе: 1 монография в соавторстве с проф. Е.И. Микулиным, разделы в 3 учебниках, 31 статья в научных журналах, 17 статей в сборниках научных трудов, 29 докладов в трудах международных и российских конференций, 13 авторских свидетельств, 4 патента.

Личный вклад автора. Постановка научных задач экспериментальных и теоретических исследований. Решение основных методических, теоретических и практических вопросов, построение расчетных моделей и алгоритмов. Расчет и проектирование экспериментальных стендов и установок, выбор режимов и способов измерений и проведение экспериментов. Сбор, анализ и обработка результатов исследований. Разработка конструкций экспериментальных моделей матриц, матричных и планарных теплообменников. Разработка способов интенсификации теплообмена в аппаратах этого типа. Автору также принадлежат: экспериментальные данные по теплообмену и гидродинамическому сопротивлению во всех исследованных сетчатых матрицах, матрицах из перфорированных пластин и в микроканалах планарных теплообменников; способы замеров малых разностей температур между поверхностью и теплоносителем, способы измерения температурных полей и их визуализация, способы генерации тепла в исследованных сетчатых матрицах и в моделях матриц из ПП при исследовании процесса кипения воды. Автор лично участвовал во всех экспериментальных, аналитических и численных исследованиях. Изготовление всех экспериментальных моделей теплообменных поверхностей и опытных образцов теплообменников осуществлялось в МГТУ им. Н.Э. Баумана при непосредственном участии автора и при сотрудничестве со специалистами НПО "Наука" во главе с проф. Ворониным Г.Н. (г. Москва), "Ниихиммаш" (г. Москва), НПО "Кислородмаш" (г. Одесса), ВГТУ (каф. сварки, доцент Кривенцов А.Н.) (г. Волгоград), НПО им. Лавочкина (г. Химки).

Работы, по материалам которых написаны ниже перечисленные разделы, выполнены в соавторстве: раздел 3.2. с к.т.н. Потаповым В.Н., раздел 3.4. с к.т.н. Лысым О.А., раздел 3.5. и 4.4 с зав. лабораторией сварки и пайки НПО "Кислородмаш" Веселовым В.А., разделы 4.2 и 4.3 с к.т.н. Михайловым А.В., раздел 4.4. с к.т.н. Даниленко Т.К. и к.т.н. Могорычным В.И., зав. лабораторией Солововым Н.А., раздел 5.3 с к.т.н. Балаклейским С.Н.

Внедрение. Результаты работы внедрены: при совершенствовании конструкций регенераторов криогенных газовых машины в г. Кирово-Чепецке на предприятии п/я А-1619; при замене трубчатого топливно-масляного теплообменника ТТМ6981 на матричный теплообменник ТТМ6981А при испытаниях нового изделия на НПП "Мотор" в г. Уфе; при замене трубчато-витого теплообменника дроссельной ступени в гелиевом рефрижераторе РГ-200 на матричный теплообменник в НПО "Криогенмаш"(г. Балашиха); при создании матричного подогревателя паров бензина в опытной установке для получения высокооктанового бензина на экспериментальной базе АО "Морские системы Сухого".

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы из 103 наименований и содержит 335 стр. основного текста, в том числе 183 рис., 28 таблиц и 4 приложения.

Подобные работы
Мурадова Мадина Миязуллаховна
Исследование и разработка полупроводниковых термоэлектрических полупроводниковых теплообменных аппаратов проточного типа
Бобков Алексей Владимирович
Разработка проточной системы хладоснабжения туннельного скороморозильного аппарата с использованием низкотемпературного воздуха от турборефрижераторной установки
Жердев Анатолий Анатольевич
Разработка и исследование холодильных установок с использованием в качестве рабочих тел экологически безопасных газомоторных топлив
Лукьянов Павел Александрович
Разработка и исследование двухконтурной каскадной установки с вихревой трубой для охлаждения биоматериалов при температуре -70 С
Колпаков Михаил Юрьевич
Исследование динамики адсорбции ксенона на промышленных сорбентах и разработка технологии получения ксеноносодержащей смеси на воздухоразделительных установках
Сабирзянов Наиль Ринатович
Разработка криовакуумного обеспечения нанотехнологических установок
Новаковский Евгений Петрович
Разработка малогабаритной промысловой холодильно-вакуумной одноступенчатой установки для ректификации легкого газового конденсата в условиях недостаточного нагрева
Звонарев Павел Николаевич
Разработка метода расчета радиальных упругогазодинамических подшипников с предварительно напряженными лепестками для малых турбомашин низкотемпературных установок
Крысанов Константин Сергеевич
Разработка и исследование вакуумно-испарительных холодильных машин с использованием воды как холодильного агента
Мелехин Юрий Петрович
Разработка и исследование термокомпрессора с дополнительным поджатием

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net