На правах рукописи

Приходько Юрий Михайлович ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В ДИАМЕТРАЛЬНЫХ ДИСКОВЫХ ВЕНТИЛЯТОРАХ ПРИ НИЗКИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 2008

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник В.П. Фомичев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, главный научный сотрудник, профессор В.К. Баев доктор технических наук, профессор зав. кафедрой отопления и вентиляции ТГАСУ М.И. Шиляев

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН

Защита состоится 12 декабря 2008 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 003.035.02 при Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан л_2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор технических наук И.М. Засыпкин 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дисковые вентиляторы для перекачивания газов, которые можно отнести к машинам трения, отличаются от традиционных центробежных и осевых вентиляторов, которые относятся к машинам динамического действия, тем, что в них газ или жидкость перекачивается благодаря силе вязкого трения. Если в традиционных вентиляторах проявление сил вязкого трения перекачиваемой среды о поверхности крыльчаток и лопастей является отрицательным фактором, то в дисковых вентиляторах, наоборот, среда захватывается дисками, фиксируется в междисковом пространстве и вовлекается во вращательное движение благодаря вязкому трению. Возникающая при этом центробежная сила обеспечивает транспортировку газа или жидкости. Дисковые вентиляторы отличаются от осевых и центробежных большой устойчивостью работы в сетях с нагрузкой, отсутствием кавитации и малошумностью. Они имеют относительно большую поверхность рабочего элемента - ротора с дисками, что дает возможность совмещать в одном устройстве несколько функций, используя процессы, протекающие на границе газа с поверхностью. Например, можно осуществлять одновременно транспортировку газа и теплообмен, транспортировку и конденсацию влаги из газа, транспортировку и проведение химических реакций на поверхности дисков.

Зависимость рабочих характеристик диаметральных дисковых вентиляторов (ДДВ) от основных геометрических и кинематических параметров устройства при атмосферном давлении и числах Рейнольдса Re > 2000 изучена на данный момент достаточно хорошо. Настоящая работа посвящена исследованию рабочих характеристик ДДВ при низких давлениях (P < 40 Торр), малых числах Рейнольдса (Re < 1000) и больших температурных напорах с целью получения эмпирических методов расчета важнейших для проектирования характеристик тепло- и массообмена. Подобные условия (низкое давление около 10 Торр и температура порядка 300 С) характерны для электроразрядных проточных СО2-лазеров с конвективным охлаждением рабочей среды, в которых и предполагается использовать ДДВ.

Таким образом, в данной работе исследованы интегральные газодинамические и теплообменные характеристики диаметрального дискового вентиляторатеплообменника применительно к возможному его использованию в газодинамическом контуре СО2-лазера.

Актуальность темы В диссертации исследуется работа диаметрального дискового вентилятора как насоса и теплообменника. Результаты исследований нашли свое приложение при разработке газодинамического контура СО2-лазера большой мощности.

Физические процессы при взаимодействии тлеющего разряда с потоком газа определяют удельные энергетические характеристики, мощность излучения, устойчивость разряда и, как следствие, надежность и практическую значимость создаваемых электроразрядных проточных СО2-лазеров с конвективным охлаждением рабочей среды. Для лазеров замкнутого цикла, какими являются технологические СО2-лазеры, газодинамические и оптические характеристики определяются эффективностью используемых теплообменных и прокачных устройств. Именно они определяют установившееся распределение и величину скорости потока, температуру и избыточное давление, реализуемые в контуре лазера при выделении энергии в разрядной камере, особенно в случае работы при предельных энерговкладах. Поэтому исследования эффективности используемых теплообменных и прокачных устройств являются актуальными при разработке и создании новых установок.

Использование дискового вентилятора-теплообменника в проточном СО2лазере вместо традиционных центробежного вентилятора и пластинчатого теплообменника позволяет уменьшить массогабаритные характеристики конструкции и повысить скорость потока рабочей среды в разрядной камере лазера, что позволяет увеличить мощность излучения без увеличения размеров разрядной камеры и резонатора лазера.

Цели работы:

- получить экспериментальные данные о процессах массо- и теплообмена в диаметральном дисковом вентиляторе при низких числах Рейнольдса, характерных для СО2-лазеров;

- выявить влияние различных геометрических и кинематических параметров вентиляторов на основные параметры его работы при низком давлении;

- обобщить результаты экспериментальных исследований в виде критериальных зависимостей для расчета расходных характеристик ДДВ;

- исследовать работу лазера с дисковым вентилятором-теплообменником и оценить его перспективность;

- разработать конструкцию дискового вентилятора-теплообменника и газодинамического контура для СО2-лазера большой мощности.

Достоверность результатов диссертационной работы определяется использованными экспериментальными методиками и подтверждается воспроизводимостью в многократных экспериментах, удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными, полученными при опытной эксплуатации установок, спроектированных с использованием разработанных методик расчета.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что:

- получены экспериментальные данные о характеристиках процессов тепло- и массообмена в диаметральных дисковых вентиляторах в неисследованных ранее диапазонах давлений и температур;

- впервые обнаружен и исследован эффект кризиса расхода диаметрального дискового вентилятора при низких числах Рейнольдса. Дано объяснение этого эффекта;

- проведен анализ влияния основных геометрических параметров ДДВ на их расходные характеристики при низком давлении. Даны рекомендации по выбору оптимальных параметров при проектировании подобных установок;

- разработана эмпирическая методика расчета основных параметров массообмена в диаметральных дисковых вентиляторах, необходимая для проектирования таких аппаратов;

- впервые экспериментально обнаружен эффект тепловой неустойчивости работы диаметрального дискового вентилятора-теплообменника в замкнутом канале. Показано, что данное явление связано с проявлением струйного характера течения в замкнутом контуре лазера, предложен способ его преодоления;

- рассчитаны характеристики и основные параметры установки для охлаждения газа в СО2-лазере, по которым был спроектирован, изготовлен и испытан пилотный вариант мощного СО2-лазера;

- экспериментально получены результаты, свидетельствующие о перспективности применения установок на основе диаметральных дисковых вентиляторов для эффективного охлаждения рабочего газа в СО2-лазере;

- экспериментальные данные и обобщающие формулы могут быть использованы для построения теоретических моделей и при конструировании новых образцов различных устройств с использованием дисковых вентиляторов.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального исследования характеристик массо- и теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах при низких числах Рейнольдса;

- обнаружение эффекта кризиса расхода при работе диаметрального дискового вентилятора при низких числах Рейнольдса и объяснение механизма его появления;

- методика расчета расхода в диаметральных дисковых вентиляторах при малых числах Рейнольдса;

- обнаружение эффекта тепловой неустойчивости при работе диаметрального дискового вентилятора в замкнутом контуре и объяснение механизма его появления;

- результаты экспериментального исследования эффективности применения дисковых вентиляторов в качестве теплообменников для эффективного охлаждения рабочего газа в СО2-лазере;

- конструкция газодинамического тракта СО2-лазера с дисковым вентиляторомтеплообменником.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2004, 2007, 2008), на XVI Международном симпозиуме: International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers Conference. (Gmunden, Austria, September 4-8, 2006), а также на научных семинарах ИТПМ СО РАН. Опытный образец установки в 2004 году был представлен на промышленной выставке в Ганновере (Германия). Кроме того, получен ПАТЕНТ на изобретение Проточный газовый лазер №2270499, приоритет 21.05.04.

Публикации По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 105 наименований, приложений и 92 рисунков. Полный объем диссертационной работы 131 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко анализируется состояние вопроса. Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы. Приводится краткое описание диссертации по главам, и формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена описанию дисковых вентиляторов. Говорится об истории их создания и исследования, о принципе действия и отличительных особенностях, а также о достоинствах и недостатках. Показано многообразие сфер возможного применения данного типа устройств. Отдельно рассмотрены примеры использования дисковых вентиляторов в качестве вакуумных насосов.

В частности, в з1.1 дается краткая характеристика насосов трения. В з1.2 рассказывается о центробежных дисковых вентиляторах и приводятся примеры их использования. з1.3 посвящен описанию диаметральных дисковых вентиляторов, которые являются предметом исследования в данной работе. В з1.4 формулируется цель проводимого исследования.

Вторая глава посвящена описанию методики и результатов экспериментального исследования газодинамики течения в диаметральных дисковых вентиляторах в замкнутом контуре при низком давлении. Характерной особенностью этого течения являются отсутствие осевой симметрии течения и сильное влияние условий на входе и выходе аппарата на его характеристики. Вследствие этого теоретический анализ течения затруднен и в качестве главного средства исследования был выбран эксперимент. В главе подведены итоги экспериментальных исследований и представлены их результаты в виде эмпирических формул для нахождения объемного расхода через аппарат при малых числах Рейнольдса.

Во введении ко второй главе приводится обзор современного состояния исследований газодинамики междисковых течений, обосновывается актуальность исследования и выбора его методов.

В з2.1 даются предварительные расчеты параметров экспериментальной установки на основе доступных из литературы эмпирических формул. Далее приводятся результаты исследований, проведенных на экспериментальном вакуумном стенде. Первые же эксперименты на этой установке показали, что после достижения некоторого критического значения давления скорость потока резко падает до нуля, Рис. 1. Схема вакуумного стенда.

т.е. вентилятор перестает создавать поток.

1 - корпус, 2 - ротор с дисками, Сравнение экспериментов с расчетами по3 - входной канал, 4 - выходной каказывает, что методики оценки расхода нал, 5 - разделительная перегородка, газа по известным формулам не могут 6 - диски, 7 - междисковые проставки.

быть использованы для описания работы дискового вентилятора при низких (менее 40 Торр) давлениях.

В з2.2 приводится описание одной из установок (рис. 1), на которой проводились экспериментальные исследования. Измерения скорости газа производились с помощью трубки Пито и дифференциального жидкостного манометра. Скорость потока измерялась в выходном канале 5 при помощи трубки Пито, которую можно было перемещать по высоте канала от плоскости В до плоскости Н, как показано на рис. 1.

Объемный расход рассчитывался как произведение средней скорости потока на площадь выходного сечения. Для визуализации течения применялся метод тонких нитей.

В таблице представлен диапазон изменения основных параметров на описываемом стенде и на еще двух, аналогичных, макетных установках.

D3, D2, D1, b, (D3 - D2)/2, P,, мм мм мм мм мм Торр об/с 206 168 - 200 40 - 182 5 - 20 3 - 19 10 - 100 1 - 100, 360 274 - 314 100 5 - 40 23 - 43 100 8 - 510 450 - 500 110 - 200 5 - 20 5 - 30 3 - 100 5 - 100, В з2.3 описываются результаты экспериментов, проведенных с различными конфигурациями вентиляторов. Показано, что резкое уменьшение расхода газа в дисковом вентиляторе при уменьшении рабочего давления связано с перестройкой течения в выходном канале вентилятора и в междисковом пространстве ротора. И эффект этот проявляется как при уменьшении давления (рис. 2,а), так и при уменьшении числа оборотов ротора при фиксированном давлении (рис. 2,б).

0,6 0,0,5 0,0,0,Q Q 0,0,0,2 0,0,0,0 10 20 30 40 15 20 25 30 35 40 45, P Гц, Торр а б Рис. 2. Зависимость среднего относительного расхода Q дискового вентилятора от давления (а) при = 60 Гц и от числа оборотов при P = 60 Торр (б).

Q = (VF)/(R2F), V - скорость потока газа в выходном канале, F - площадь сечения выходного канала, - угловая скорость вращения ротора, R2 - внешний радиус ротора.