ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ПЕРЕКРЕСТНОТОЧНОГО МИКРОКАНАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Интенсификация теплопередачи опытного образца перекрестноточного микроканального теплообменника

Левцев Алексей Павлович,

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой теплоэнергетических систем, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», [email protected]

Целяев Александр Валерьевич,

магистр, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», [email protected]

В микроканальных теплообменниках при снижении скорости движения теплоносителя страдает теплопередача. В связи с этим целью данной статьи являлось повышение интенсификации теплопередачи перекрестноточного микроканального теплообменника с ламинарным режимом течения жидких сред за счет организации пульсаций теплоносителя. Для достижения данной цели в процессе выполнения работы решались такие задачи исследования, как проведение тепловых испытаний микроканального теплообменника на экспериментальной установке для стационарного и импульсного режимом нагреваемой среды, определение экспериментального коэффициента теплопередачи на основе балансового метода, расчета поправочного коэффициента для коэффициента теплопередачи в импульсном режиме с использованием метода энергетической цепи. Установлено, что в импульсном режиме коэффициент теплопередачи по сравнению с стационарном ламинарным режимом может быть увеличен от 12,5 до 18% в полосе частот от 1 до 5 Гц.

Ключевые слова: микроканальный теплообменник, интенсификация теплопередачи, коэффициент теплопередачи, тепловые испытания, пульсации теплоносителя, импульсный режим, математическая модель.

см о см

со

О!

^

н

О Ш

т

X

<

т О X X

Микроканальные технические устройства широко используются для отвода и подвода теплоты электронного оборудования, криогенной и аэрокосмической технике. От традиционных теплообменников их отличает высокая степень компактности (десятки тысяч квадратных метров теплообменной поверхности в 1 м3 объема), а также малый характерный размер каналов (эквивалентный диаметр составляет доли миллиметра) [1].

При течении в микроканалах имеется возможность достичь высокого коэффициента теплопередачи. Причина этого малое значение гидравлического диаметра [2, 3]. Однако малые поперечные размеры каналов приводят к высоким перепадам давления, что вместе с большой площадью поверхности контакта твердых стенок и жидкости вызывает большие затраты энергии на перекачивание теплоносителя [4, 5]. Для снижения затрат энергии на перекачивание теплоносителя в микроканальных теплообменниках, потребуются уменьшение длины каналов и повышение площади проходною сечения в аппарате за счет увеличения числа каналов. В связи с этим остро стоит вопрос об оптимизации габаритных размеров и конструктивных решений микроканальных теплообменников. В связи с этим наибольший практический интерес представляют микроканальные теплообменники, работающие в ламинарном режиме. Известно, что теоретические значения чисел Нуссельта при ламинарном стабилизированном течении в каналах постоянны и для каналов круглого сечения при постоянной температуре стенки составляют 3,66 и при постоянном значении теплового потока на стенке - 4,36 [6].

Одна из самых распространенных конструкций микроканальных теплообменников - сборка пластин с каналами щелевой формы, для получения которых, используются различные технологии, такие как электрохимическое травление и фотолитография. Пластины соединяются диффузионной сваркой в вакууме. Применяется и традиционная высокоточная механическая обработка (фрезерование, токарная обработка). В мире идет интенсивный поиск новых конструкций микроканальных теплообменников и технологий их изготовлений [7]. В связи с этим в данной работе была поставлена цель повышения интенсификации теплопередачи перекрестно-точного микроканального теплообменника с ламинарным режимом течения жидких сред за счет организации пульсаций теплоносителя. Для достижения данной цели в процессе выполнения работы решались такие задачи исследования, как проведение тепловых испытаний микроканального теплообменника на экспериментальной установке для стационарного и импульсного режимом нагреваемой среды, определение экспериментального коэффициента теплопередачи на основе балансового метода, расчета поправочного коэффициента для коэффициента теплопередачи в импульсном режиме с использованием метода энергетической цепи [8].

Схема подключения микроканального теплообменника приведена на рисунке 1. Перед началом эксперимента греющий контур заполнялся теплоносителем,

нагретым до 75 °С . Затем с помощью клиновой задвижки в греющем контуре был выставлен заданный расход теплоносителя 7 л/м. Предварительно бак исходной нагреваемой среды заполнялся на 100% с исходной температурой 10 °С. После этого открывался вентиль и так же устанавливался расчетный расход нагреваемой среды с помощью задвижки. В стационарном режиме расход нагреваемой среды составляет от 0,67 до 1 л/м. На выходе из микроканального теплообменника в стационарном режиме температура нагреваемой среды составляла примерно 50°С.

Прерывание потока теплоносителя в импульсном режиме осуществлялось с помощью электромагнитного клапана, положение клапана нормально-закрытый. При закрытии клапана происходит гидравлический удар, обратная волна которого воздействует на пограничный слой около теплопередающих поверхностей теплообменника [9]. Деформация пограничного слоя улучшает теплоотдачу от теплоносителя к поверхности. Настройка частоты открытия клапана задавалась при помощи реле времени. Измерение расхода нагреваемой среды проводилось с помощью мерного стакана.

0,66 0,69 0,73 0,75 5,78 0,1)1 0,64 ОЯ? 0,9 0,93 0,96 0,99

и 3 Ц> —•— Д Н1 ■ ш—е^цнонарныР & 11

Рисунок 2 - Гоафики изменения температуры нагреваемой среды от расхода для стационарного и двух импульсных режимов.

Как видно из данного графика для импульсных режимов на большей части расходов изменения температуры нагреваемой среды выше чем в стационарном режиме. Данные графики явились основанием для построения графиков мощности для нагреваемой среды в зависимости от расхода для стационарного и двух импульсных режимов (рисунок 3).

Рисунок 3 - Графики изменения мощности нагреваемой среды от расхода для стационарного и двух импульсных режимов.

Рисунок 1 - Общий вид подключенного микроканального теплообменника

В ходе проведений испытаний микроканального теплообменника автоматически записывались следующие параметры: температура теплоносителя на входе и на выходе из теплообменника в греющем и нагреваемом контуре, а также расход нагреваемой среды. На рисунке 2 приведены зависимости изменения температуры нагреваемой среды от ее расхода для стационарного и двух импульсных режимов.

> '9 0,72 О. / :> 07В --- < )1- -

0Л1 -).;(" о,»/ 0,9 0,95 0.96 0,99 •— * "1 —•— с Рйци0н,11>ный

; - с

Рисунок 4 - Гоафики изменения коэффициента теплопередачи от расхода для стационарного и двух импульсных режимов.

Из данных графиков видно, что для всех режимов с увеличением расхода мощность растет за счет увеличения коэффициента теплопередачи. При расходе 0,780,81 л/мин мощности практически совпадают, далее расчетная мощность существенно возрастает. В частно-

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю 00

2 О

м

см

0 см

со

01

о ш т

X

<

т О X X

сти, на расходе 0,81 л/мин мощности примерно одинаковы. На других расходах в импульсном режиме мощность выше чем с стационарном на 50-200 Вт. На рисунке 4 приведены графики коэффициента теплопередачи в зависимости от расхода для стационарного и двух импульсных режимов.

Как видно из графика увеличение коэффициента теплопередачи в импульсном режиме выше на 12,5%. Теплопередача микроканального теплообменника в импульсном режиме протекает более интенсивно, чем в стационарном режиме за счет увеличения турбулизации потока.

Турбулизация потока теплоносителя происходит за счет отклонения потока теплоносителя. Если поток теплоносителя представить в виде постоянной составляющей и отклонения д = д0 + ~д, то теоретически отклонение расхода потока можно найти через амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в виде гидравлического

кПА-с

сопротивления в ——, как:

Л

, (1)

где Р- отклонение давления на входе цепи, КПа.

Энергетическая цепь (рисунок 5) включает 5 звеньев: 1 - гидравлическое, учитывает потери давления в греющем контуре активным сопротивлением г[, массу воды

в контуре Шу; 2 - преобразовательное, преобразует давление Р2 в силу / и объемный расход V в линейную скорость V через площадь пластин Р ; 3 - механическое, учитывает податливость I прокладок между пластинами; 4 - преобразовательное, преобразует силу / в давление р3 и линейную скорость VI в

объемный расход V1, через площадь пластин Р; 5 -гидравлическое, учитывает массу топлива в нагреваемом контуре Ш2 и гидравлические потери в контуре активным сопротивлением ^.

Рисунок 5 - Энергетическая цепь гидродинамики микроканального теплообменника с упругими дистанционными прокладками.

Уравнения звеньев цепи:

1-е звено:

2-е звено:

3-е звено:

4-е звено:

р = гу2 + шу + Р2

V = V. '

Р2 = / / S,

V = vF.

v = 4/ + ^ / = / ■ / = Рз - Р, ч=V/Р.

(2)

5-е звено: \Р3 = шV + гV + Р5,

V = V. Очевидно, что Р2 = Р3,

Уравнение на Р2 из 1-ого звена с учетом равенства

Р = Р

12 13

Р3 = Р - г V - ш V.

(3)

Уравнение на V

V = v1 Р = (V - /) Р = V - Р1/ = V - Р1( рР - Рг V - Рш V) = V - Р Чр + Р2гIV + РЧшV.

(4)

Здесь:

/ = р3 Р = рР - г ¥Р - V.

Производная:

/ = Рр - гР^'- Рш^.

Уравнение на р5 :

(5)

(6)

р5 = р3 - шV - гV = р3 - шV + шV + ш2РгГр - ш2Р2гIV -

- ш2Р2!ш1 V - гV + г2Р2!р - г2Р2гIV - г2Р2!ш1 V = = Р2ш21р + Р2г21р - Р2ш2lшV - (ш2 + г2Р 11ш1 - г2Р21ш1У -- (г2 + г2Р2 г IУ + р - гV - шV = Р2 ш21р + Р2 г21р - Р2ш21ш1¥ -- (шу + ш2 + г2Р 11ш1 - г2Р 11ш1 )¥ - (г + г2 + г2Р2гI)¥ + р =

= аур + а2 р + р + Ьу - ЬV - b3V.

(7)

г ^) -

(8) (9)

(11)

Уравнение на изображение:

(а^2 + а2 S)P(S) = (-ЬХБ2 + Ь^У^). Комплексное сопротивление цепи:

Р^) -Ь^2 + Ь^ V ^) а^2 + а^

Частотная функция цепи: (5 ^ ;'и) О - круговая частота.

г (уп) = -Ь О + Ь2 = (Ь О + Ь2 № ■ (а102 - а2 №

-ауО.2 + а2(-ауО.2 + а2]0.) ■ (-ауО2 - а2]0.)

(10)

Действительная часть частотной функции:

исс о)=~а ьО+.

ау04 + а2202 Здесь значения параметров:

ау = Р2 ш21; а2 = Р2г21; Ьг = Р 2ш21ш{,

Ь2 = ш+ ш2 + г2 Р 21ш1; Ь3 = г2 Р 21шу;

ЬА = г + г2 + г2 Р2 гу1. Мнимая часть частотной функции:

= Ь1а2°ъ - Ь2а10Ъ . ау0 + а2 О АЧХ цепи:

А(О)=у/кСйО)2+1ММйа)1. (13)

На основании полученных формул был составлен алгоритм построения частотных характеристик, который включает последовательность шагов.

(12)

1. Рассчитываются коэффициенты цепи для базового и оптимизированного режимов на основании параметров (таблица 1).

тером роста поправочного коэффициента. С ростом частоты прерывания потока коэффициент теплопередачи увеличивается.

Таблица 1

Значения параметров цепи для базового и оптимизирован-

Параметры цепи

Режим Па • с2 Па • с тг,кг т2,кг М 1 — Н Р,м2

Д2 ^ Л

1. Базовый 0,282 261600 8 2 0,021 0,13

2. Оп-

тими-

зиро- 0,282 261600 15 2 0,021 0,13

ван-

ныи

2. Для диапазона П = 1...30 рад/с находится действительная и мнимая части частотной функции по выражениям (11) и (12).

3. На основании расчетных Re(j'Q) и 1М (/О) находятся АЧХ цепи по выражению (13).

4. Строятся графики А(/О) = /( О) для базового (нижняя кривая) и оптимизированного режима (рисунок 6).

-А(М! -АЦП)?

О 5 10 15 20 25 30

£2. рад/с

Рисунок 6 - Гоафик амплитудно-частотной характеристики цепи.

Как видно из данного графика в оптимальном режиме график АЧХ проходит выше на всех частотах. На низких частотах (около 1 Гц) АЧХ превышает более чем два раза.

Значение поправочного коэффициента можно представить в виде:

£/ = 1+7". (14)

Уо

Коэффициент теплопередачи для микроканальных теплообменников (размер канала менее 1 мм) рекомендуется определять по формуле:

т1п(Я/ Я^) (15)

Для с учетом поправки на теплоноситель, коэф-

фициент теплопередачи можно рассчитать по формуле: , (16) Зависимость коэффициента теплопередачи в зависимости от частоты прерывания потока теплоносителя для двух АЧХ приведена на графике (рисунок 7). Для оптимизированной АЧХ значение коэффициента теплопередачи выше во всех режимах, это объясняется харак-

Рисунок 7 - График изменения коэффициента теплопередачи в зависимости от частоты прерывания потока теплоносителя.

Адекватность расчетного и прогнозного значения коэффициента теплопередачи проверялась для базовой АЧХ на частоте 3 Гц. Расхождение расчетного коэффициента теплопередачи с экспериментальным не превышает 5%. Теоретически увеличить коэффициент теплопередачи возможно при увеличении частоты прерывания потока нагреваемой среды.

Выводы:

1. Микроканальные теплообменники широко используются для отвода и подвода теплоты в различных отраслях техники. От традиционных теплообменников их отличает высокая степень компактности при значительных затратах энергии на перекачку теплоносителя. Снизить затраты на транспорт теплоносителя при сохранении коэффициента теплопередачи возможно за счет перехода к импульсной циркуляции теплоносителя.

2. Проведены тепловые испытания микроканального перекрестноточного теплообменника на экспериментальной установке в стационарном и импульсным режимах. Установлено увеличение коэффициента теплопередачи в импульсном режиме выше на 12,5%. Теплопередача микроканального теплообменника в импульсном режиме протекает более интенсивно, чем в стационарном режиме за счет увеличения турбулизации потока теплоносителя.

3. Получена зависимость для расчета поправочного коэффициента к коэффициенту теплопередачи в импульсном режиме с использованием АЧХ гидравлической цепи микроканального теплообменника. При оптимальных параметрах гидравлической цепи микроканального теплообменника коэффициент теплопередачи в импульсном режиме можно увеличить по сравнению с стационарным ламинарным режимом до 18%.

Литература

1. Шишов В.В., Клоков М.Ю. Веселков С.И. Алюминиевые теплообменники - микроканальная технология. //Сантехника. Отопление. Кондиционирование. - 2007 г. - №2.

2. Лобасов А.С. Гидродинамическое моделирование течений жидкостей в каналах / А.С. Лобасов, А.В. Мина-ков // Тр. 14-й Международный научно- практической конференции «Современные техника и технологии». Сек. 12. Наноматериалы, нанотехнологии и новая энергетика. 2008. С. 337-338.

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю 00

2 О

м

о ш m х

<

m о x

X

3. Анискин В.М., Адаменко К.В., Маслов А.А. Экспериментальное определение коэффициентов гидравлического сопротивления прямолинейного и криволинейного микроканалов // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010 Т. 5, вып. 3 С. 63-70.

4. Волков Ю. Д., Вантюсов Ю. А., Левцев А. П. Информационные технологии в энергетике. Учебное пособие / Саранск, 2013.- 221 с.

5. Шишов В.В., Клоков М.Ю. Веселков С.И. Алюминиевые теплообменники - микроканальная технология. //Сантехника. Отопление. Кондиционирование. - 2007 г. - №2.

6. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия,1968 341 с.

7. Левцев А.П., Макеев А.Н., Макеев Н.Ф., Нарватов Я.А., Голянин А.А. Обзор и анализ основных конструкций ударных клапанов для создания гидравлического удара // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. С. 188.

8. Макеев А.Н. Тепловые пункты систем теплоснабжения с импульсной циркуляцией теплоносителя // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2017; 44 (1): 37-47. D0I:10.21822/2073-6185-2017-44-1-37-47

9. Левцев А. П. Импульсные системы тепло- и водоснабжения: монография / А. П. Левцев, А. Н. Макеев; под общ. ред. д-ра техн. Наук проф. А. П. Левцева. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015. - 172 с

References

1. Shishov V.V., Klokov M.Yu. Veselkov S.I. Aluminum heat exchangers -

microchannel technology. // Plumbing. Heating. Conditioning. - 2007 -No. 2.

2. Lobasov A.S. Hydrodynamic modeling of fluid flows in channels / A.S.

Lobasov, A.V. Minakov // Tr. 14th International Scientific and Practical Conference "Modern Techniques and Technologies". Sec. 12. Nanomaterials, nanotechnology and new energy. 2008.S. 337-338.

3. Aniskin V.M., Adamenko K.V., Maslov A.A. Experimental determination of

hydraulic resistance coefficients of straight and curved microchannels // Vestnik NSU. Series: Physics. 2010 Vol. 5, no. 3 S. 63-70.

4. Volkov Yu. D., Vantyusov Yu. A., Levtsev A. P. Information technologies in

power engineering. Textbook / Saransk, 2013.- 221 p.

5. Shishov V.V., Klokov M.Yu. Veselkov S.I. Aluminum heat exchangers -

microchannel technology. // Plumbing. Heating. Conditioning. - 2007 -No. 2.

6. Petukhov B.S. Heat Transfer and Resistance in Laminar Flow of Liquid in

Pipes. Moscow: Energiya, 1968 341 p.

7. Levtsev A.P., Makeev A.N., Makeev N.F., Narvatov Ya.A., Golyanin A.A.

Review and analysis of the main structures of shock valves for creating a hydraulic shock // Modern problems of science and education. 2015. No. 2-2. P. 188.

8. Makeev A.N. Subsidiaries of heat supply systems with impulse circulation

of the coolant // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical science. 2017; 44 (1): 37-47. DOI: 10.21822 / 2073-61852017-44-1-37-47.

9. Levtsev A. P. Impulse systems of heat and water supply: monograph / A.

P. Levtsev, A. N. Makeev; under total. ed. Dr. tech. Prof. A.P. Levtseva. - Saransk: Publishing house of Mordovs. University, 2015.-172 p.

CS

0

CS cd

01

Heat transfer intensification of a prototype cross-flow microchannel heat exchanger

Levtsev A.P., Tselyaev A.V.

National Research Ogarev Mordovia State University

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

In microchannel heat exchangers, with a decrease in the speed of movement of the coolant, heat transfer suffers. In this regard, the purpose of this article was to increase the intensification of heat transfer of a cross-flow microchannel heat exchanger with a laminar flow regime of liquid media due to the organization of coolant pulsations. To achieve this goal in the process of performing the work, such research tasks were solved as conducting thermal tests of a microchannel heat exchanger on an experimental setup for a stationary and pulsed mode of the heated medium, determining the experimental heat transfer coefficient based on the balance method, calculating a correction factor for the heat transfer coefficient in a pulsed mode using energy chain method. It was found that in the pulsed mode the heat transfer coefficient compared to the stationary laminar mode can be increased from 12.5 to 18% in the frequency band from 1 to 5 Hz.

Keywords: microchannel heat exchanger, heat transfer intensification, heat transfer coefficient, thermal tests, coolant pulsations, pulse mode, mathematical model.