Исследование теплообменных поверхностей с использованием анизотропно-пористых материалов

В — институте проблем материаловедения АН Украины разработан метод получения анизотропно-пористых материалов (АПМ) в виде стержней, труб, профилей различного сечения, имеющих сквозные каналы. Метод позволяет получать изделия-длиной от нескольких миллиметров до 1−2 метров и диаметром от долей миллиметра до десятков миллиметров. Сквозные каналы ориентированы вдоль оси изделия, их диаметр может варьировать от десятков микрометров до десятков миллиметров, количество каналов может изменяться от одного до нескольких тысяч, общая пористость материала может составлять до 70 -т- 80%. Метод прост, технологичен, экономичен, осуществляется при помощи стандартного оборудования для обработки давлением [37].

Отличительными особенностями указанных материалов являются ориентированная структура пор (каналов), постоянство их размеров, возможность получения^ изделий с большим отношением длины к диаметру, распределение каналов по сечению в требуемом порядке. Большой практический интерес представляет использование АПМ в качестве теплообменных поверхностей в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах как вынужденной так и естественной конвекции, в частности, в теплообменных устройствах систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, утилизаторов и градирен. Поэтому исследования по определению теплотехнических характеристик теплообменных поверхностей из АПМ являются актуальными [44].

Предварительные исследования показали, что применение в качестве те-плообменной поверхности элементов из АПМ позволяет увеличить коэффициент теплопередачи в 1,5−2 раза и значительно повысить компактность теплообменников [36].

Объектом исследования являются теплообменные аппараты (ТА).

Предметом исследования — теплообменные поверхности из анизотропно-пористых материалов < (АПМ).

Цель исследования: определить теплотехнические и аэродинамические показатели теплообменных поверхностей из анизотропно-пористого материала в теплообменниках типа «вода-воздух», работающих в режимах вынужденной и естественной конвекции.

Для реализации этой цели решались следующие задачи:

— теоретически-обосновать общий вид уравнениятеплообмена в ТА;

— проведение теплотехнических и аэродинамических исследований теплооб-менных поверхностей из АПМ в теплообменниках типа «вода-воздух» в режиме вынужденной" и естественной^ конвекции и: определения влияния на теплотехнические и аэродинамические характеристики геометрических параметров" поверхностей ТА;

— получить критериальные уравненияописывающие закономерности тепло-передачиштеплообменных элементах;

— теоретическиш экспериментально определить гидравлические потери давления в ТА;

— разработать методику инженерного расчета ТА.

Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась врамках целевой комплексной программы «Нефть игаз Западной? Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области».

Методы? исследованийФизическое И' математическое моделирование физических, процессов, системный подход и оптимизацияметоды аналитического исследования функциймноговариантные расчеты.

Достоверность и' обоснованность: основные положения и выводы работы обоснованы теоретическими решениями, полученными с использованием методов математического анализа на основе известных физических законов теплопередачи. Кроме того, в работе использованы методы*математического моделированияоснованные на использовании строгого математического аппаратаа полученные результатысопоставлялись с известными результатами теоретических и экспериментальных исследованийНа защиту выносятся:

— математическая модель взаимодействия теплоносителей в ТА из АПМ;

— критериальныеуравненияполученные по теории подобия для определения коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления ТА из АПМ;

— методика инженерного расчета ТА из АПМ.

Научная новизна диссертации заключается в следующем: на основе теоретических и экспериментальных исследований получены критериальные уравнения теплопередачи и аэродинамического сопротивления в ТА из АПМ, на их основе разработана методика инженерного расчета ТА из АПМ, которую можно использовать при разработке и изготовлении теплообменных устройств" для санитарно-технических систем, в частности воздухонагревателей, воздухоохладителей, теплоутилизаторов и др.

Практическое значение и реализация работьрсостоит в том, что разработанные теоретические и методические основы расчета ТА из АПМ внедрены в проектных организациях и используются в учебном процессе.

Апробация работы: Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и Всероссийских конференциях в: СПбГПУ, ВГАСУ, ТюмГАСУ, итоговой годовой конференции РААСН. Результаты работы докладывались на кафедре ТГВ ТюмГАСУ.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

Личный вклад автора заключается в разработке и оборудовании специальных стендов для проведения экспериментальных исследований теплообменников, позволяющих получать сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов. Предложена методика расчета геометрических характеристик тепло-обменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности. На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости, на основании которых можно рассчитывать теплопередачу и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред.

Структурами"объем работы. Диссертационная^работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 55 наименований и содержит 105 страниц текста, включая 5 таблиц и 61 иллюстрацию, а также приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В работе исследован новый вид теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала.

Для' проведения! исследований разработаны и оборудованы специальные стенды, разработаны и изготовлены экспериментальные теплообменники позволяющие получать, сравнительные теплоаэродинамические характеристики при различных соотношениях длины и диаметров ориентированных каналов;

Предложена методика расчета геометрических характеристик теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволяющая определять необходимые параметры сложных поверхностей с достаточной степенью точности.

На основании проведенных экспериментальных исследований получены графические и числовые зависимости на основании которых можно рассчитывать теплопередачу и аэродинамическое сопротивление теплообменников из АПМ с различными геометрическими^ характеристиками при равных параметрах теплообменивающихся сред.

Исследования теплообменной поверхности из анизотропно-пористого материала позволили установить что: а) теплоаэродинамические характеристики теплообменных элементов из АПМ в большой степени зависят от таких геометрических параметров как: длины и диаметра единичного каналанаружного диаметра элемента б) при оптимальных геометрических параметрах теплообменная поверхность из АПМ обладает более высокой тепловой эффективностью по сравнению с традиционно применяемымив) теплообменные поверхности из АПМ можно успешно использовать для работки и изготовления различных теплообменных устройств, в частности: воздухонагревателей, воздухоохладителей, утилизаторов и др.