CC BY
52
УДК 536.24
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ
© 2013 А. А. Цынаева1, Е. А. Цынаева2, Е. В. Школин2
1ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» 2ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»
Проведено численное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих движение и теплообмен в пограничном слое для моделирования теплообмена в трубе температурной стратификации. На основе численного решения выявлено, что применение тепловых труб позволит увеличить эффективность работы трубы температурной стратификации.
Тепломассообмен, газодинамическая температурная стратификация, тепловая труба.
Работа устройства [1,2,3] на основе газодинамической температурной стратификации (труба Леонтьева) основана на реализации переноса тепла между потоками газа с разными числами Маха, разделёнными стенкой. Таким образом, движущей силой процесса является разница между температурой восстановления газа на стенке и температурой торможения. Схема устройства газодинамической тем-
пературной стратификации представлена на рис. 1, а [4]. Эффективность трубы температурной стратификации определяется теплофизическими свойствами рабочего тела. Известно [1, 2], что при сверхзвуковых скоростях (М > 1) температура восстановления будет значительно ниже температуры торможения для рабочих сред с малыми числами Прандтля ^г < 0.2) [5].
Рис. 1. Схема трубы температурной стратификации: 1 - разделительная камера; 2 - тракт дозвукового течения; 3 - тракт сверхзвукового течения; 4 - выходной патрубок тракта сверхзвукового течения; 5 - сверхзвуковой диффузор;
6 - выходной патрубок тракта дозвукового течения; 7 - устройство для закрутки сверхзвукового дисперсного потока; 8 - сверхзвуковое сопло; 9 - тепловая труба (ТТ); 10 - фитиль ТТ; 11 - испарительная зона ТТ; 11 - конденсационная зона ТТ
Кроме того, плотность теплового потока возрастает при наличии проницаемой стенки между дозвуковым и сверхзвуковым трактами трубы температурной стратификации [1, 5, 6]. Эффективность температурной стратификации определя-
ется плотностью теплового потока от газа в дозвуковом тракте к газу в сверхзвуковом тракте, рассчитываемой по выражению
я = к -(г * - тг 2 ), (1)
*
где Т - температура заторможенного потока; Тг 2 - температура стенки со стороны сверхзвукового потока; к - коэффициент теплопередачи. Здесь темпера*
турный напор АТ = Т - Тг2 увеличивается с уменьшением температуры Тг2, которая, как отмечено выше, зависит от
природы рабочей среды. Температура тг 2, профили скорости и температуры в сечениях пограничного слоя, коэффициенты восстановления г и теплоотдачи а определяются, как в [7, 8], в результате численного решения системы уравнений, описывающих движение и теплообмен в пограничном слое, включающей:
- дифференциальное уравнение энергии
(и £+=^ [(я+^ Ш + ^+О 2
- дифференциальное уравнение движения
(ди ди\ 3 Г/ \ ди~\ йр
+ + \-Тх + 5 -
- уравнение неразрывности д(р и)/ д х + д(р V)/ д у = 0;
- уравнение состояния Р = Р /(Я Т).
(2)
(3)
(4)
(5)
В уравнениях (2)-(5) приняты стандартные обозначения: - переменная, характеризующая интенсивность внутренних источников теплоты; - переменная, определяющая интенсивность внутренних источников количества движения.
Численное интегрирование системы уравнений пограничного слоя проводилось методом прогонки с использованием неявной шеститочечной схемы 2-го порядка аппроксимации.
В работах [9,10] показана возможность повышения эффективности процесса газодинамической температурной стратификации за счёт использования дисперсного рабочего тела. Применение дисперсного рабочего тела и конструкции трубы температурной стратификации (рис. 1, а) с устройством для закрутки сверхзвукового потока позволяет существенно увеличивать коэффициент теплоотдачи со стороны тракта сверхзвукового течения. Однако в тракте дозвукового течения коэффициент теплоотдачи остаётся меньшим по сравнению с коэффициентом теплоотдачи со стороны тракта сверхзвукового течения. В этой связи предлагается применять тепловые трубы (ТТ) со стороны тракта дозвукового течения. Так как
эффективная теплопроводность ТТ значительно выше, чем у металлов, коэффициент к увеличится. Схема конструкции предлагаемой трубы температурной стратификации [7, 8, 11, 14] с ТТ представлена на рис. 1, б; разрез, поясняющий расположение ТТ, - на рис. 1, в.
ТТ в предлагаемой схеме сверхзвуковой трубы температурной стратификации выполнены в виде продольных рёбер в тракте дозвукового течения. Циркуляция теплоносителя в тепловых трубах осуществляется за счёт использования фитиля. Применение ТТ позволяет не только увеличивать коэффициент теплопередачи к между дозвуковым и сверхзвуковым течениями, но и повышает площадь теплообмена.
Анализ проводился в предположении, что коэффициенты теплоотдачи к поверхности ТТ и к поверхности между ними полагаются одинаковыми.
Коэффициент эффективности тепловой трубы Цтр рассчитывается как для
рёбра по формуле, которую для рассматриваемых условий можно записать в виде
Цтр = ЛI -^л/2в!
(6)
где = аф^зф - число Био; ( - коэффициент теплоотдачи со стороны течения в дозвуковом тракте; 8 - толщина ТТ; 1эф - эффективная теплопроводность
ТТ.
Сопротивление теплопередачи для ТТ определялось выражением
К£ = X Кот + Кисп +Х Кфп + Ккан + Ккон,(7)
где ХРт - термическое сопротивление для стенок ТТ; Кисп - термическое сопротивление испарительной зоны ТТ; ХКф -термическое сопротивление зоны фазового перехода; Ккан - термическое сопротивление зоны парового канала ТТ; Ккон
- термическое сопротивление конденсационной зоны ТТ. Здесь принято допущение, что сопротивление фазового перехода ХЯфп и парового канала Якан пренебрежимо малы [7].
Сопротивление теплопередачи ТТ определялось по методике [12]. Были проведены экспериментальные исследования эффективности ТТ по методике, представленной в [13]. В первом приближении коэффициент теплоотдачи для зоны кипения определялся при допущении наличия развитого пузырькового кипения. В расчёте принято, что в качестве рабочей жидкости принята вода. Поэтому использовалась следующая известная зависимость:
( = 39,3 -{р, .10-5 Г ^ (8)
аисп = 7-8-43 - А , (8)
(1 - 4,5-10-8 - рн)
здесь рн - давление насыщения;
At = ([н - tп) - температурный напор;
- температура насыщения пара; tn -
температура поверхности ТТ.
Для конденсационной зоны ТТ принято допущение, что реализуется режим плёночной конденсации пара. Среднее значение коэффициента теплоотдачи
0,728Ан
^ \йп .At Р' (9)
В формуле (9) ёт - эквивалентный диаметр тепловой трубы; Ан - комплекс,
рассчитываемый по выражению 1 - Г ■ g -(рр")/П0 25
/v
Ан =
(10)
Здесь 1 - коэффициент теплопроводности жидкости; гк - теплота парообразования (конденсации); g - ускорение свободного падения; р", р" - соответственно плотность кипящей жидкости в ТТ и сухого насыщенного пара при температуре насыщения пара; v - кинематический коэффициент вязкости.
Эффективная теплопроводность ТТ
Е , (11)
1эф = I - К
X
где Е - поверхность ТТ; I - характерный размер тепловой трубы, м.
В настоящей работе исследуется влияние использования ТТ на поверхности тракта сверхзвукового течения (рис. 1, б) на эффективность газодинамической температурной стратификации.
Относительный тепловой поток Я = я/ятах (значение Ятах рассчитано при а2 = ¥, Г2 = 0; индексы: 1 - параметры в тракте дозвукового течения, 2 -параметры в тракте сверхзвукового течения) в сверхзвуковой трубе температурной стратификации определяется в предположении, что половина доли периметра трубы занята ТТ:
Я = (1 - г)-
1 -11+^ м2
1
(12)
0.5 +
1
+ 0.5
+
а 1 а 2
где
шр | 8
г - коэффициент восстановления;
у - показатель адиабаты; М - число Маха.
Результаты моделирования для воздуха представлены на рис. 2, а. Расчёты
выполнены для значений Рг = 0,7, М^ = 0,2, Яе™2 =106.
Результаты моделирования для двухфазного потока представлены на рис. 2, б. Расчёты проводились для значений у = 1,4, Рг = 0,7 (несущая среда - воздух),
М1 = 0,2; Яе ^ 2 = 106; О=
=5-10-'
(и -и)р2
V 5Ш /Г0
О - это обобщённый комплекс - критерий подобия, характеризующий влияние конденсированных частиц в потоке.
Анализируя результаты исследования, представленные на рис. 2, можно заключить, что применение ТТ в сверхзвуковой трубе температурной стратификации позволит интенсифицировать процесс теплообмена. Для газа рост эффективности передачи тепла от дозвукового потока к сверхзвуковому потоку составит от 1,6 до 1,96 раза для воздуха при М2 = 2, а для двухфазного потока от 2,44 до 3,94 раз при М2 = 2 в зависимости от относительной длины ТТ I / 5 = 2.. .10.
0 04
¡с N А
Г \\
Г * // У/ / / г N
0.1
—% \
!/ V» V
/ \\ у
1 / о'
1
а б
Рис. 2. Влияние числа Маха и относительной длины тепловой трубы на температурную стратификацию газа: а - для газа; б - для двухфазного потока;
----без ТТ;----с ТТ, относительной длиной 1/5 = 2;
--с ТТ, относительной длиной 1/8 = 5 ;-----с ТТ, относительной длиной 1/8 = 10
Библиографический список
1. Леонтьев, А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков [Текст] / А.И. Леонтьев // ТВТ, 1997.- Т. 35, № 1. - С. 157-159.
2. Бурцев, С.А. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа [Текст] / С.А. Бурцев, А.И. Леонтьев // Изв. РАН. Энергетика. - 2000. - №5. - С. 101 - 113.
3. Пат. 2106581 Российская Федерация, МПК Б25Б9/02. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (труба Леонтьева) [Текст] / Леонтьев А. И.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество закрытого типа «Грааль», Научно-производственное предприятие «Саров». -
№96110458/06; заявл. 23.05.1996, опубл. 10.03.1998, Бюл. № 6. - 5 с.
4. Пат. 2334178 Российская Федерация, МПК Б25Б9/02. Сверхзвуковая труба температурной стратификации [Текст] / Ковальногов Н. Н., Магазинник Л. М., Федоров Р. В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет.» -№2007108799/06; заявл. 09.03.2007, опубл. 20.09.08, Бюл. № 26. - 9 с.
5. Вигдорович, И. И. К теории энергоразделения потока сжимаемого газа [Текст] / И.И. Вигдорович, А.И. Леонтьев // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. -2010. - № 3. - С. 103 - 109.
6. Леонтьев, А. И. Влияние вдува (отсоса) на энергоразделение потоков сжимаемого газа [Текст] / А. И. Леонтьев,
B. Г. Лущик, А. Е. Якубенко // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. - 2011. - № 6. - С. 110-117.
7. Цынаева, А.А. Интенсификация температурной стратификации турбулентных потоков за счет использования тепловых труб [Текст] / А.А. Цынаева, Е.А. Цынаева, Е.В. Школин // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2013. - №3 - 4. -
C. 33-38.
8. Цынаева, А.А. Исследование температурной стратификации в модифицированной трубе Леонтьева с тепловыми трубами [Текст] / А.А. Цынаева, Е.А. Цы-наева, Е. В. Школин // Тепловые процессы в технике. - 2013. - Т. 5, №10. - С. 440 -444.
9. Температурная стратификация в сверхзвуковом дисперсном потоке [Текст] / Н. Н. Ковальногов, Л. М. Магазинник, Е.В. Фокеева, М. А. Кузьмина // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях: тр. XVII школы-семинара молодых специалистов под руковод. акад. РАН А.И. Леонтьва. - М.: Изд. дом МЭИ, 2009. - Т. 2. - С. 213 -216.
10. Цынаева, А.А. Моделирование процесса движения и теплообмена потока для внутреннего охлаждения плазмотрона [Текст] / А.А. Цынаева, Л. М. Магазинник // Актуальные вопросы теплофизики и гидрогазодинамики: тез. докл. всерос. школы-семинара молодых учёных. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе, 2008. - С. 130132.
11. Пат. 2468309 Российская Федерация, МПК Б25Б9/02. Труба температурной стратификации [Текст] / Цынаева А.А., Волкова Т.Н., Магазинник К.М., Сагитова К.Р.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет». -№2011114941; заявл. 20.06.2011, опубл. 27.11.2012, Бюл. № 33. - 5 с.
12. Кудинов, В. А. Техническая термодинамика и теплопередача: учеб. для бакалавров [Текст] / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, Е.В. Стефанюк. - М.: Изд-во Юрайт, 2011. - 560 с.
13. Цынаева, А. А. О возможностях интенсификации теплопередачи при охлаждении энергетических установок [Текст] / А.А. Цынаева, Е.А. Цынаева // Современные научно-технические проблемы транспорта: материалы V Между-нар. науч.-техн. конф. - Ульяновск: Изд-во «Венец» УлГТУ, 2009. - С. 67 - 71.
14. Цынаева, А. А. Математическое моделирование температурной стратификации в модифицированной трубе Леонтьева с тепловыми трубами [Текст] / А.А. Цынаева, Е.А. Цынаева, Е.В. Школин // Автоматизация процессов управления. -2013. - № 2. - С. 29 - 35.
Работа проводится при поддержке РФФИ, грант №12-08-31091 «Повышение эффективности газодинамической температурной стратификации потока за счёт использования тепловых труб», конкурс «Мой первый грант».
USING HEAT PIPES TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF GAS-DYNAMIC THERMAL STRATIFICATION
© 2013 A. A. Tsynaeva1, E. A. Tsynaeva2, E. V. Shkolin2
1Federal State budget institution of higher education "Samara State University of Architecture and Civil Engineering"
Federal State budget institution of higher education "Ulyanovsk State Technical University"
A numerical solution of differential equations describing the motion and heat exchange in the boundary layer is used to simulate heat transfer in a tube of thermal stratification. The numerical solution proves that the use of heat pipes will make it possible to increase the efficiency of a tube of thermal stratification.
Heat-mass exchange, gas-dynamic thermal stratification, heat pipe.
Информация об авторах
Цынаева Анна Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», Самарский государственный архитектурно-строительный университет. E-mail: a.tsinaeva@rambler.ru. Область научных интересов: тепло- и массообмен, температурная стратификация, энергосбережение, энергетические установки.
Цынаева Екатерина Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика», Ульяновский государственный технический университет. Email: tsinaeva-kate@rambler.ru. Область научных интересов: тепло- и массообмен, управление, энергосбережение, энергетические установки, оптимизация теплопотреб-ления.
Школин Евгений Владимировоч, аспирант, Ульяновский государственный технический университет. E-mail: shkolin-e@yandex.ru. Область научных интересов: тепло- и массообмен, тепловые трубы.
Tsynaeva Anna Alexandrovna, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation, Samara State University of Architecture and Civil Engineering. E-mail: a.tsinaeva@rambler.ru. Area of research: heat and mass transfer, thermal stratification, energy conservation, power installations.
Tsynaeva Ekaterina Alexandrovna, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, the Department of Heat Engineering, Ulyanovsk State Technical University. Email: tsinaeva-kate@rambler.ru. Area of research: heat and mass transfer, management, energy saving, power installations, optimization of heat consumption.
Shkolin Eugene Vladimirovoch, postgraduate student, Ulyanovsk State Technical University. E-mail: shkolin-e@yandex.ru. Area of research: heat and mass exchange, heat pipes.
