CC BY
9ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ
УДК 629.7.023.22.003.13:[669-417.4+669-492.2]
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОРШКОВЫМИ И СЕТЧАТЫМИ ПОРИСТЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Э.В. Карпович
Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина
Аннотация. В статье описаны полученные спеканием порошковые и сетчатые пористые материалы с кратким обсуждением их основных характеристик. Указан спектр областей применения таких пористых материалов во вновь создаваемых конструкциях для военной отрасли, строительной индустрии, агропромышленного комплекса, технического сервиса, медицины, бытовых нужд. Упомянуто о создании программных комплексов для автоматизации весьма громоздких и сложных математических расчетов для разрабатываемых конструкций различных теплообменных аппаратов с пористыми матрицами. Обозначены существенные положительные стороны применения различных пористых структур в разнообразных конструкциях теплообменников с пористым наполнителем. Также указано на очевидные сложности при организации течения теплоносителя сквозь пористую структуру. Все выше перечисленное побуждает искать новые способы улучшения эффективности и совершенствования конструкций теплообменных аппаратов и характеристик спеченных порошковых и сетчатых пористых материалов. В связи с этим приведен краткий анализ всевозможного разностороннего изменения физических, структурных и геометрических характеристик как самих пористых материалов, так и конструкций теплообменных аппаратов в целом. Обсуждены различные варианты возможностей организации теплообмена и течения теплоносителя с использованием спеченных порошковых и сетчатых пористых материалов в качестве наполнителя в разнообразных теплообменных аппаратах.
Ключевые слова: пористая структура, теплообменный аппарат, эффективность, теплопроводность, автоматизация расчетов, совершенствование конструкции, гидравлическое сопротивление, тепловой контакт, интенсификация теплообмена.
Введение. Совершенствование теплотехнических конструкций сопровождается все большим ростом теплонагруженности их основных узлов. Это заставляет искать новые концепции систем охлаждения, разрабатывать принципиально отличающиеся методы организации теплообмена, побуждает к поиску новых структур и физических принципов. Взгляд инженеров-теплотехников со второй половины XX века довольно пристально устремился в сторону всестороннего использования пористых материалов, количество и разнообразие которых неизменно растет [1]. Спектр областей применения порошковых и сетчатых пористых материалов очень широк: от бытовых фильтров [2], медицинских приборов, сварочно-режущих приспособлений [3] до элементов в нефтедобывающих установках [4], узлов строительной, дорожной, сельскохозяйственной техники, авиа- и ракетостроении [5], что говорит о значительной распространенности порошковых и сетчатых пористых материалов как в гражданской промышленности, так и в военном деле.
Основная часть. Способы повышения эффективности теплообменных аппаратов с пористым наполнителем.
Улучшение характеристик пористых материалов. Применение пористых порошковых и сетчатых материалов в различных вновь создаваемых конструкциях теплообменных аппаратов оказалось весьма перспективным. Интенсификация теплообмена в пористых структурах усиливалась при использовании различных веществ, в частности, сжимаемых [6-8], находящихся в различных агрегатных состояниях, в случае применения двухфазных потоков разных теплоносителей. Конечно же, при реализации таких способов теплообмена расчеты оказывались весьма громоздкими, требующими огромных временных ресурсов. Для сокращения временных затрат, упрощения расчетов и повышения их точности и разносторонности с бурным развитием компьютерной техники стали создаваться мощные расчетные комплексы [9] и компьютерные модели [10-12], позволяющие автоматизировать все расчеты [13,14] и полномасштабно и наглядно представить и изучить все возможные пути совершенствования теплообменных аппаратов. В дополнение к оговоренным преимуществам такие комплексы значительно снижали материальные затраты на изучение улучшений в рассматриваемых конструкциях. Кроме того, такие программные комплексы для всесторонних научных исследований перспективных конструкций в упрощенном виде можно использовать в лабораторных работах при организации учебного процесса и для решения прикладных задач, связанных с тепломассообменом [15].
Главная задача порошковых и сетчатых пористых теплообменных элементов при подводе теплоты к непроницаемой
поверхности - интенсификация теплообмена между охлаждаемой поверхностью и омывающим ее потоком теплоносителя. В этом случае происходит качественное изменение процесса теплообмена: тепло передается теплопроводностью от непроницаемой поверхности к проницаемой матрице, что приводит к резкому увеличению площади поверхности теплообмена по сравнению с гладким каналом, и далее поглощается потоком теплоносителя. Таким образом, в процессе теплообмена участвует практически весь объем теплоносителя, а не только пристеночный слой. При этом необходимо, чтобы материал порошковой или сетчатой пористой структуры имел высокую теплопроводность и идеальный тепловой и механический контакты со стенкой.
Рисунок 1 - Пористый тракт охлаждения газогенератора
Подобный способ интенсификации теплообмена дает возможность при помощи однофазного теплоносителя охлаждать непроницаемую поверхность, подверженную воздействию значительных тепловых потоков, что явилось причиной того, что параллельно с развитием технологии изготовления порошковых и сетчатых пористых материалов было предложено и большое количество разнообразных конструкций теплообменных аппаратов с использованием пористой среды. Однако тракт, заполненный пористым металлом (рис.1), наряду с высокой интенсификацией теплообмена, отличается большим коэффициентом сопротивления, который приводит к недопустимо большим потерям давления. С потерями давления во вновь создаваемых конструкциях традиционно борются в двух направлениях: снижая скорость движения теплоносителя в пористой среде и уменьшая путь фильтрации теплоносителя.
Увеличение пористости среды хоть и ведет к уменьшению сопротивления [16], но снижает прочностные и теплопроводные характеристики пористого элемента, из-за чего, как следствие,
Вн^рентя огтеза
Пористый сепзтьн Наружная сиговая
коялестое пома
снижается теплоотдача в тракте. Многие пористые материалы невозможно использовать в конструкциях теплообменников, если их пористость больше 0,6.
Повысить эффективность канала с пористой средой можно, увеличив теплопроводность материала вставки, используя с этой целью специальные пористые сетчатые материалы (ПСМ). ПСМ являются анизотропными материалами, обладают высокой прочностью и проницаемостью, стабильными гидравлическими характеристиками, хорошими технологичностью и прогнозируемостью свойств. Эти качества делают ПСМ наиболее приемлемыми для использования в теплообменных аппаратах с пористым наполнителем.
На эффективность пористого тракта с ПСМ влияет расположение слоев сеток относительно охлаждаемой поверхности. При пористости, большей 0,3, теплопроводность ПСМ в направлении волокон в 1,5-2 раза больше, чем теплопроводность от слоя к слою. Таким образом, правильно расположив слои сеток относительно направления теплового потока, можно повысить теплопроводность ПСМ, а значит, и теплоотдачу, не используя более теплопроводный материал, что может привести к ухудшению термической прочности, увеличению стоимости и массы пористой вставки.
Совершенствование конструкций теплообменных аппаратов. Анизотропия ПСМ сказывается и на гидравлическом сопротивлении. Так, гидравлическое сопротивление при фильтрации теплоносителя вдоль слоев сеток (то есть при межсеточной фильтрации) меньше, чем при нормальном к поверхности сеток течении. Экспериментальные данные для сетки П60 с пористостью 0,476 дают следующие отношения вязкостных и инерционных коэффициентов сопротивления при нормальной и межсеточной фильтрации охладителя: а1/а2=2,7; р1/р2=2,4.
Это позволяет перейти от продольно-канального течения к продольно-поперечному течению из канала в канал, так называемой межканальной транспирации теплоносителя (МКТТ). Гидравлическое сопротивление тракта и путь фильтрации хладагента уменьшаются, а это делает тракт с МКТТ (рис.2) высокоэффективным. Однако его эффективность значительно снижается с увеличением продольного размера пористого тракта, так как теплоноситель нагревается, двигаясь вдоль канала, что приводит к различным режимам теплообмена вдоль пористой вставки, неравномерному охлаждению непроницаемой поверхности, что в конечном итоге может привести к ее разрушению.
Рисунок 2 - Тракт с межканальной транспирацией теплоносителя
Чтобы избежать подобного, при значительной протяженности обогреваемой поверхности лучше пользоваться секционным пористым трактом охлаждения (СПТ) [17] (рис.3). На рис.3 приведены следующие обозначения: Ь - длина секции, Ь1 - длина пористой вставки, Ь1 - глубина проточки, Ь2 - ширина проточки, 5 - высота пористого наполнителя, О - массовый расход охладителя.
В данной конструкции холодный теплоноситель контактирует с нагретой пористой матрицей не в начале тракта, а по всей его длине через проточки, что существенно повышает теплообмен и уменьшает гидравлическое сопротивление тракта из-за уменьшения пути фильтрации хладагента. Самым важным является тот факт, что в каждой секции реализуется одинаковый режим теплообмена, и разница температуры непроницаемой поверхности в начале секции и в ее конце незначительна. Это позволяет говорить о примерно одинаковой температуре охлаждаемой поверхности по длине тракта и о возможности применения его на протяженных участках при малых затратах мощности. Длина секции и глубина проточки определяются в
ходе оптимизации параметров [18-20] в каждой конкретной ситуации.
Заключение. Таким образом, в данной статье рассмотрены основные особенности организации теплообмена с помощью порошковых и сетчатых пористых материалов на примерах различных конструкций. Проанализированы и обобщены различные способы улучшения характеристик пористых сред для наиболее рационального их применения в различных конструкциях теплообменных аппаратов. Выделены лучшие конструкторские решения для теплообменников со значительной протяженностью поверхности теплообмена. Подчеркнуто, что тракт с МКТТ имеет меньшее гидравлическое сопротивление, но при этом имеет значительную разницу в температурах по длине охлаждаемой поверхности. Указано, что этой проблемы удается избежать при использовании тракта СПТ. Кроме того, в тракте СПТ реализуется примерно одинаковый температурный перепад как по длине секции, так и по длине всего тракта охлаждения, который может быть неограниченно длинным. Знание этих особенностей позволит подобрать оптимальный вариант конструкции теплообменного аппарата для каждого конкретного случая.
Список использованных источников:
1. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1981. - 247 е.: ил.
2. Голубев В.П. Уменьшение проницаемости пористых сред при фильтрации суспензий. - М.: «LAP Lambert Academic Publishing»,
2012.- 60 е.: ил.
3. Карпович Э.В., Поляев В.М. Разработка и проектирование малогабаритного терморезака // Известия вузов. Машиностроение.-1994.- №7-9.- С.82-83.
4. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды.- М.: Машиностроение, 2008.- 254 е.: ил.
5. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1988. - 168 с.: ил.
6. Карпович Э.В. Расчет коэффициентов сопротивления пористых вставок для сжимаемой среды // Агротехника и энергообеспечение.- 2014.- Т.1.- №1.- С.55-61.
7. Карпович Э.В. Определение коэффициентов сопротивления пористых элементов при фильтрации сжимаемой среды // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2013. Материалы Международной молодежной научной конференции в 6-и томах.-
2013.- С.138-141.
8. Карпович Э.В. Метод определения коэффициентов сопротивления пористых элементов при фильтрации сжимаемой среды
// Энергосберегающие технологии и техника в сфере АПК. Сборник материалов к межрегиональной выставке-конференции.- 2011.- С.180-184.
9. Москалев П.В., Шитов В.В. Математическое моделирование пористых структур.- М.: Физматлит, 2007.- 120 е.: ил.
10. Карпович Э.В. Моделирование тепло- и массообмена в пористой среде // Фундаментальные и прикладные исследования -сельскохозяйственному производству. Сборник материалов VIII Международной научно-практической Интернет-конференции.-2016.- С.239-243.
11. Карпович Э.В. Моделирование тепломассообмена в пористых телах // Главный механик.- 2014.- №6.- С.43-46.
12. Карпович Э.В. Программное обеспечение для моделирования пористых теплозащитных конструкций // Прогрессивные технологии и процессы. Сборник научных статей 2-й Международной молодежной научно-практической конференции в 3-х томах.- 2015.- С.36-41.
13. Карпович Э.В. Автоматизированный расчет тепломассообмена в пористых структурах // Известия Волгоградского государственного технического университета.- 2013.- Т.10-№20(123).- С.106-108.
14. Карпович Э.В. Автоматизация тепломассообменных расчетов в пористых вставках // Агротехника и энергообеспечение.-2014.- Т.1.- №1.- С.50-55.
15. Карпович Э.В. Исследование пористых сред с помощью ЭВМ // Энергосберегающие технологии и техника в сфере АПК. Сборник материалов к межрегиональной выставке-конференции.-2011.- С.54-57.
16. Жуков А. Д. Высокопористые материалы: структура и тепломассоперенос.- М.: НИУ МГСУ, 2014.- 209 е.: ил.
17. Карпович Э.В., Поляев В.М. Интенсификация конвективного теплообмена в секционных пористых теплообменниках // Известия вузов. Машиностроение.- 1996.- №1-3.- С.46-49.
18. Карпович Э.В. Оптимизация конструкции секционного пористого теплообменного аппарата // Главный механик.- 2015.- №7.-С.32-36.
19. Карпович Э.В. Оптимизация конструкционных параметров секционного пористого теплообменника // Фундаментальные и прикладные исследования - сельскохозяйственному производству. Сборник материалов VIII Международной научно-практической Интернет-конференции.- 2016.- С.189-194.
20. Карпович Э.В. Секционный пористый теплообменный аппарат и оптимизация его конструкционных параметров //
Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Сборник научных трудов XII-ой Международной научно-практической конференции в 4-х томах. -2015.- С.232-237.
Эдуард Владимирович Карпович, кандидат технических наук, karpowich.ed@yandex.ru, Россия, Орёл, Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина
EFFICIENCY IMPROVEMENT OF HEAT-EXCHANGE EQUIPMENT OF VARIOUS CONSTRUCTIONS WITH PISTON AND NET POROUS
MATERIALS Karpovich E.V.
Abstract. The article describes the sintering obtained powder and mesh porous materials with a brief discussion of their main characteristics. The range of applications of such porous materials in the newly created structures for the military industry, construction industry, agro-industrial complex, technical service, medicine, and domestic needs is indicated. Mentioned is the creation of software systems for the automation of very cumbersome and complex mathematical calculations for the developed designs of various heat exchangers with porous matrices. Significant positive aspects of the use of various porous structures in various designs of heat exchangers with a porous filler are indicated. It also indicates obvious difficulties in organizing the flow of coolant through the porous structure. All of the above prompts to look for new ways to improve the efficiency and improve the designs of heat exchangers and the characteristics of sintered powder and mesh porous materials. In this regard, a brief analysis is given of all kinds of versatile changes in the physical, structural and geometric characteristics of both the porous materials themselves and the designs of heat exchangers as a whole. Various options for the organization of heat exchange and coolant flow using sintered powder and mesh porous materials as a filler in various heat exchangers are discussed.
Keywords: porous structure, heat exchanger, efficiency, thermal conductivity, automation of calculations, design improvement, hydraulic resistance, thermal contact, heat transfer intensification.
Karpovich E.V., Candidate of Technical Science, karpowich.ed@yandex.ru, Russia, Orel, Orel State Agrarian University named of N. V. Parakhin
