Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

СУХОВ Евгений Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДА РАСЧЁТА КОМПАКТНЫХ СПИРАЛЬНО-ЗМЕЕВИКОВЫХ УЗЛОВ ОХЛАЖДЕНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск - 2012

Работа выполнена на кафедре Холодильная и компрессорная техника и технология Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования Омский государственный технический университет.

Научный консультант: д.т.н., профессор В.Л. Юша

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор А.С. Ненишев к.т.н., доцент Ю.А. Потапов

Ведущая организация: ООО НТК Криогенная техника, г. Омск.

Защита диссертации состоится л 25 мая 2012 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.02 по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет

Автореферат разослан л 13 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор ____________________ В.Л. Юша

Актуальность темы. При создании компрессорных агрегатов (КА) для мобильных, блочно-модульных и транспортных установок одним из определяющих критериев технического уровня являются их габаритные размеры. Обеспечение компактности достигается как за счёт форсирования путём уменьшения числа ступеней и повышения быстроходности, так и за счёт компоновки отдельных узлов и конструктивных элементов. Целый ряд узлов КА нуждается в интенсивном отводе теплоты, в связи с чем необходимо создание высокоэффективных компактных узлов охлаждения, которые находятся в условиях стесненной, ограниченной компоновки и при этом обеспечивают требуемые показатели по тепловогидравлической эффективности. Так, например, в поршневых компрессорах компактные узлы охлаждения необходимы для отвода теплоты от цилиндров, узлов трения (коренные и шатунные подшипники, сальники и цилиндропоршневая группа и др.), встроенных охладителей газа и маслоохладителей жидкостного охлаждения; в центробежных компрессорах - для охлаждения узлов трения.

В связи с этим необходимо создание высокоэффективной технологичной конструкции узла охлаждения, легко адаптируемого к охлаждаемому объекту. Одним из направлений интенсификации теплообмена в проточной части таких узлов без применения дополнительных конструктивных элементов является турбулизация потока в поле массовых сил. Действие центробежных сил в спирально-змеевиковых каналах (СЗК) создает перемешивание среды, что приводит к интенсификации процессов теплообмена и повышению компактности узлов охлаждения. Спиральнозмеевиковые конструкции с круглым профилем известны и применяются в различных узлах энергетических машин и в теплообменном оборудовании. Однако, СЗК круглого сечения технологически трудно реализовать применительно к рассматриваемым объектами, а СЗК с поперечным сечением некруглой формы (например, треугольной или квадратной, которые легко выполнить даже на универсальном токарном оборудовании) практически не применяются. При этом отсутствуют опубликованные данные по результатам экспериментальных и теоретических исследований в таких каналах и теплообменных устройствах применительно к условиям эксплуатации в КА.

Создание компактных узлов охлаждения КА, в которых интенсификация теплообмена достигается в СЗК технологичного профиля за счёт объёмной турбулизации потока и методики расчёта таких узлов представляется актуальным как для компрессоростроения, так и для смежных отраслей техники.

Связь темы диссертационного исследования с общенаучными, государственными программами. Работа выполнена в рамках НИР Поисковые исследования путей создания комбинированного двигателя нового типа на основе использования роторно-поршневого газогенератора и газотурбинной расширительной машины (государственный контракт №1551 от 24.03.2008 г. на основании постановления Правительства РФ № 771-335 от 10.11.2007 г.), а также в рамках госбюджетной фундаментальной НИР 4.11Ф Разработка методов теоретического и экспериментального исследования процессов теплообмена и газодинамики в криволинейных пространственных потоках (2011 г.).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов путём интенсификации теплообмена в спирально-змеевиковых каналах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику конечно-элементного расчета (КЭР) процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК узлов охлаждения КА на базе прикладного пакета программ ANSYS CFX.

2. Разработать методику экспериментального исследования процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА и стенд для её реализации.

3. Выполнить экспериментальное исследование процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА.

4. Выполнить параметрический анализ влияния конструктивных и режимных факторов на теплогидравлические характеристики компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью, в том числе влияния формы поперечного сечения канала и его ориентации относительно оси канала.

5. Выполнить сравнительный анализ эффективности СЗК треугольного, квадратного и полукруглого сечений с СЗК круглого сечения.

6. Уточнить критериальные зависимости для определения безразмерных коэффициентов теплоотдачи Nu и сопротивления для СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.

7. Разработать инженерные методики расчета теплогидравлических характеристик (безразмерные коэффициенты Nu и ) компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью некруглого сечения.

8. Разработать рекомендации по конструированию компактных узлов охлаждения КА.

Научная новизна:

1. Разработана методика КЭР процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК узлов охлаждения КА на базе прикладного пакета программ ANSYS CFX.

2. Получены уточнённые критериальные зависимости для определения чисел Nu и коэффициентов сопротивления для СЗК квадратного и треугольного сечений при использовании в качестве охлаждающей жидкости воды в диапазоне 600 < RedЭКВ < 10000 и 3 < Pr < 7.

3. Впервые получены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК с различным поперечным сечением и проведен сравнительный анализ их интегральных теплогидравлических характеристик для рассматриваемых конструкторских и режимных параметров узлов охлаждения КА. Обоснована целесообразность применения СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений в компактных узлах охлаждения КА.

Практическая ценность:

1. Разработана инженерная методика расчета компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов со СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.

2. Предложены рекомендации по совершенствованию конструкций компактных узлов охлаждения КА со СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.

3. Рекомендации для проектирования компактных узлов охлаждения КА внедрены на ОАО УКЗ (г. Екатеринбург); разработанные методики расчёта - в учебный процессе кафедры Холодильная и компрессорная техника и технология ОмГТУ.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что:

- полученные результаты основаны на фундаментальных законах физики;

- применялись современные измерительные приборы и лицензионные программные продукты при проведении экспериментальных и теоретических исследований;

- получено удовлетворительное соответствие вновь полученных результатов численного эксперимента с известными данными других исследователей и результатами собственного эксперимента.

Апробация работы. Представленные в диссертации результаты расчетнотеоретических и экспериментальных исследований докладывались на XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2007); VI Международной научно-технической конференции Динамика систем, механизмов и машин (Омск, 2007); VII Международной научно-технической конференции Динамика систем, механизмов и машин (Омск, 2009);

Международной конференции с элементами научной школы для молодежи Инновационные разработки в области техники и физики низких температур (Москва, 2010); XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 2011); Молодёжной научноЦтехнической конференции Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства (Омск, 2011); Международной научно-практической конференции Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса (Омск, 2011); Четвертой международной конференции Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках (Москва, 2011); научных семинарах кафедры Холодильная и компрессорная техника и технология ОмГТУ (Омск, 2009, 2011, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объём работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 196 страниц текста, 98 рисунков, 13 таблиц.

Список литературы включает 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность, научная и практическая значимость работы, представлено краткое содержание всех глав, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса интенсификации теплообмена в тепловых устройствах энергетических машин и установок, представлена классификация существующих способов интенсификации теплообмена в каналах, приведен обзорный анализ теоретических и экспериментальных методов исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления каналов теплообменных устройств на основе работ таких исследователей как Кутателадзе С.С., Щукин В.К., Дрейцер Г.А., Дзюбенко Б.В., Терехов В.И., Кузьма-Кичта Ю.Ю., Леонтьев А.И., Петухов Б.С., Калинин Э.К., Ярхо С.А., Исаев С.А., Тарасевич С.Э., Лобанов И.Е., Комов А.Т. и др., внесших неоценимый вклад в развитие исследований по интенсификации теплообмена, а также работ по совершенствованию систем охлаждения компрессорного оборудования таких исследователей, как Пластинин П.И., Прилуцкий И.К., Хрусталёв Б.С., Кабаков А.Н., Щерба В.Е., Парфенов В.П., Калекин В.С., Юша В.Л. и др.

В большинстве существующих работ рассматривались преимущественно рабочие процессы, протекающие в элементах систем охлаждения, тогда как при конструировании компактных узлов охлаждения существенным фактором становится их технологичность и возможность размещения в ограниченном компоновочном пространстве. В дополнение к этому представлен анализ методик теоретического и экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а также телпогидравлической эффективности теплообменных каналов. Проведен сравнительный анализ известных критериальных уравнений по определению чисел Nu и коэффициентов сопротивления трения для прямых и спирально-змеевиковых каналов круглого сечения в диапазоне чисел 600

Ито. Выявлено, что критериальные уравнения чисел Nu и коэффициентов известны только для СЗК круглого сечения. Последнее говорит о необходимости исследования СЗК с некруглым поперечным сечением, которые являются более технологичными применительно к компактным узлам охлаждения КА, в том числе треугольной и квадратной формы.

Во второй главе представлена разработанная методика КЭР процессов теплообмена и течения жидкости в СЗК с различной формой поперечного сечения и с различной ориентацией этого сечения вокруг оси канала (рис. 1), реализованная с использованием программного пакета ANSYS CFX. Задача теплогидравлического анализа решалась на основе дифференциальных уравнений неразрывности, движения, энергии и теплоотдачи с использованием безтурбулентной, k- и k- моделей турбулентности для зон ламинарного, переходного и турбулентного течений, соответственно. Выбор указанных моделей турбулентности обоснован проведенным сопоставительным анализом представленных в приложениях ANSYS моделей турбулентности.

В качестве основных допущений методики КЭР приняты следующие: процессы течения жидкости и теплообмена стационарны;

плотность теплового потока на а) б) в) г) внутренней поверхности стенки канала постоянна (qСТ = const); в потоке жидкости отсутствуют внутренние источники теплоты;

на торцевых поверхностях каналов отсутствует д) ж) з) и) Рис. 1 Типы профилей исследуемых СЗК (круглое сечение не теплообмен.

показано): а) - треугольное сечение = 0, б) - треугольное К принятым условиям сечение = 180, в) - треугольное сечение = 45, г) - однозначности методики КЭР треугольное сечение = 135, д) - квадратное сечение, ж) - процессов теплоотдачи и ромбическое сечение, з) - полукруглое сечение = 0, и) - полукруглое сечение = 180.

течения жидкости в СЗК относились:

граничные условия: давление воды на входе РВХ, температура воды на входе Твх, расход воды 0,0036 < GВОДЫ < 0,075 кг/с, тепловой поток на цилиндрических поверхностях 2650 < qСТ < 55500 Вт/м2 (представлен плотностью тепловых потоков q1 и q2), скорость жидкости на поверхности стенки r = 0.

геометрические условия: длина канала L = 2,36 м (количество витков спирали n = 6,5, диаметр витков DЗМ = 0,1 м, шаг витков t = 0,075 м), площадь исследуемого поперечного сечения f = 5,02410-5м2.

физические условия: физические свойства жидкости и поверхности определялись с использованием библиотек свойств веществ ANSYS.

Расчеты проводились с шагом RedЭКВ = 250 в диапазоне 600

(тетраэдры с углом между гранями 18) составляли:

от 0,01 до 0,5 мм - на поверхностях, образующих поток жидкости; в области сопряжения жидкость - твердое тело - от 0,01 до 0,5 мм; на всех поверхностях твердых тел - от 0,1 до 1 мм. Количество конечных элементов лежало в диапазоне от 1 002 371 до 1 211 270.

Рис. 3 Зависимость чисел Nu от чисел Re для Рис. 4 Зависимость коэффициентов сопротивления от прямолинейного канала круглого сечения: 1 - чисел Re для прямолинейного канала круглого результаты расчета по ур. Р. Норриса и Х. Хаузена, 2 сечения: 1 - результаты расчета по ур. Ж. Пуазейля и - результаты эксперимента В.М. Кейса и А.Л. Г. Блазиуса, 2 - результаты эксперимента В.М. Кейса и Лондона, 3 - результаты расчета в ANSYS CFX, 4 - А.Л. Лондона, 3 - результаты расчета в ANSYS CFX, результаты собственного эксперимента - результаты собственного эксперимента Рис. 5 Зависимость чисел Nu от чисел Re для СЗК Рис. 6 Зависимость коэффициентов сопротивления от круглого сечения при DЗМ = 0,1 м: 1 - результаты чисел Re для СЗК круглого сечения при DЗМ= 0,1м: 1 - расчета по ур. В.К. Щукина, 2 - результаты расчета в результаты расчета по ур. М. Адлера и Х. Ито, 2 - ANSYS CFX, 3 - результаты собственного результаты расчета в ANSYS CFX, 3 - результаты эксперимента собственного эксперимента При определении коэффициентов Nu и исходными данными являлись осредненные по периметру канала значения температур стенки, а также значения температур и давлений на входе и выходе из канала при установившемся режиме.

Определение температур и давлений жидкости в каналах осуществлялось как среднемассовая величина. Определение температуры стенки проводились на внутренней поверхности каналов в 20-ти поперечных сечениях.

Рис. 7 Зависимость коэффициентов от чисел Re для Рис. 8 Зависимость чисел Nu от чисел Re для СЗК СЗК треугольного сечения = 0 при DЗМ = 0,1 м: 1 - треугольного сечения = 0 при DЗМ = 0,1 м: 1 - результаты расчета в ANSYS CFX, 2 - результаты результаты расчета в ANSYS CFX, 2 - результаты собственного эксперимента собственного эксперимента Проверка методики КЭР на адекватность выполнялась путем сравнения полученных по результатам численного моделирования в ANSYS CFX чисел Nu и коэффициентов сопротивления трения с числами Nu и , полученные по выбранным в главе 1 критериальным зависимостям (для прямого канала круглого сечения - уравнения Р. Норриса, Х. Хаузена, Ж. Пуазейля, Г. Блазиуса, для СЗК круглого сечения - В.К. Щукина, М. Адлера, Х. Ито), а также с числами Nu и , полученными по результатам экспериментального исследования каналов круглого и =0 треугольного сечений.

Расхождение между значениями Nu для каналов круглого сечения по результатам расчётов в ANSYS CFX и по известным зависимостям (см. описание главы 1) составило в среднем 19,6%, в случае коэффициентов - 14,5%, а между значениями, полученными при экспериментальном исследовании и по известным зависимостям - 19,5% и 11,6%. Расхождение между значениями Nu для СЗК треугольного сечения, полученными по результатам экспериментального исследования и расчётов в ANSYS CFX составило 21,4%, для - 19,7%.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. Для их проведения была разработана методика и экспериментальный стенд, а также изготовлен комплект экспериментальных образцов: прямолинейный теплообменный элемент с круглым сечением проточной части, спирально-змеевиковый теплообменный элемент с круглым сечением проточной части, спиральнозмеевиковый теплообменный элемент с треугольным сечением проточной части (=0). Целью исследований являлась проверка на адекватность разработанной медики КЭР.

Исследуемыми объектами являлись: прямой и СЗК круглого сечения с наружным и внутренним диаметрами dВН = 0,008 м, dНАР = 0,01 м, длиной канала L = 2,098 м, средним диаметром DЗМ = 0,1 м, числом и шагом витков СЗК n = 6,5 и t = 0,075м; СЗК треугольного сечения с углом ориентации профиля относительно собственной оси = 0 с DЗМ = 0,1 м, n = 6,5, t = 0,075м, L = 2,098 м, размером основания а = 0,0107м, эквивалентным диаметром dЭКВ = 0,0062м. На рис. 9 представлена принципиальная схема стенда, которая обеспечивала охлаждение исследуемых объектов, поддержание и контроль параметров охлаждающей среды.

Перепад давления в исследуемых каналах измерялся при помощи U-образного дифференциального водяного манометра 23 (рис. 9). Измерение температур на стенке канала производилось 20-ю поверхностными хромель-копелевыми термопарами типа ДТПL 011-0,5/1,5, закрепленными на внешней стенке каналов. Измерение входных и выходных значений температуры жидкости осуществлялось с помощью двух термопар 32 типа ДТПL 011-0,5/1,5, спаи которых погружались в центр исследуемых каналов. Показания всех термопар регистрировались милливольтметром 22, значения напряжений которых фиксировались на ПК 21 с использованием программного обеспечения производителя милливольтметра. Измерение расхода воды осуществлялось ультразвуковым расходомером Sonometr 1000 (поз.18).

Контроль за режимом работы нагревателя осуществлялся при помощи вольтметра 29 типа Ц4200 0-250В кл.т. 2,5 и амперметра 28 типа Э8030 0-20А кл.т.

2,5. Питание всех электропотребителей стенда осуществлялось через стабилизатор напряжения Ресанта-10000 с отклонением подачи напряжения не более 2%. Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду исследуемая поверхность по всей своей длине обматывалась изоляцией из вспененного каучука. Во избежание воспламенения каучуковой изоляции из-за высоких температур на поверхности нагревателя использовалась промежуточная обмотка из шнурового асбеста.

а) б) Рис.9 Принципиальная схема (а) и общий вид (б) экспериментального стенда: 1 - насос, 3 - фильтр, 4, 12, 15 - кран сливной, 5 - термоманометр, 6 - кран запорный, 7 - вентили регулирующие, 8 - кран запорный, 13 - кран запорный, 14 - бак водяной циркуляционный, 16 - теплообменник воздушный, 17 - кран запорный, 18 - расходомер, 19 - термопары поверхностные, 20 - манометр, 21 - компьютер, 22 - милливольтметр, 23 - дифференциальный жидкостной трубчатый манометр, 24 - образцовые манометры, 25 - краны трехходовые, 26 - кран запорный, 27 - автотрансформатор, 28 - амперметр, 29 - вольтметр, 30 - исследуемая поверхность, 31 - устройство компенсации холодных концов термопар, 32 - погружные термопары.

Эскиз экспериментального узла СЗК треугольного сечения с углом ориентации профиля =0 представлен на рис. 10. Исследуемая поверхность 1 представляла собой СЗК треугольного сечения выполненных в дюралюминиевом цилиндре с кольцевыми треугольными зубьями. Канал для потока охлаждающей жидкости образовывался путем посадки с натягом 0,2 мм наружной стальной гильзы 2 к дюралюминиевому цилиндру 1. Герметичность СЗК треугольного сечения обеспечивалась за счет посадки с натягом по вершинам кольцевых зубьев цилиндра 1 и холодной сварки 3.

Нагрев жидкости в треугольном канале обеспечивался гибким ленточным ТЭН 5, спирально намотанным вокруг стальной гильзы 2, а также U-образным трубчатым ТЭН, вкручиваемым во внутреннюю цилиндрическую полость цилиндра 1.

Использование двух ТЭНов позволило обеспечить равносторонний нагрев треугольного канала, так как на каждую сторону треугольного канала подавался равный тепловой поток. Регулировка тепловой нагрузки от ленточного и U-образного трубчатого ТЭН обеспечивалась автотрансформаторами.

Измерение температур стенки треугольного канала проводилось 27-ю поверхностными хромель-копелевыми термопарами 4. Поверхностные термопары Т - Т19 для измерения температуры внешней стенки канала устанавливались в просверленные в стальной гильзе 2 отверстия. Поверхностные термопары Т20 - Тдля измерения внутренней стенки канала устанавливались в просверленные в дюралюминиевом цилиндре 1 отверстия диаметром 3 мм, которые затем герметизировались со стороны треугольного канала алюминиевым припоем c теплопроводностью близкой к материалу Д16 дюралюминиевого цилиндра 1. Спаи термопар крепились к поверхностям, свободные концы термопар фиксировались в просверленном отверстии с помощью холодной сварки 3.

Применяемое на стенде оборудование позволило изменять средние скорости, расходы жидкости в диапазоне 0,07 < 1,5 м/с, 0,0036 < G < 0,0(соответствовало 600< RedЭКВ<10000), а также варьировать рабочие тепловые потоки 2650< qСТ < 55500 Вт/м2. Диапазоны чисел Рейнольдса и скоростей соответствуют режимам работы узлов охлаждения (узлы трения, Рис. 10 Принципиальная схема узла СЗК треугольного сечения (=0):

встроенные охладители газа 1 - цилиндр со спирально-змеевиковой канавкой треугольного сечения, 2 - наружная гильза, 3 - уплотнение, 4 - поверхностные и маслоохладители, термопары, 5 - ленточный ТЭН, 6 - стеклянная электроизоляционная цилиндры жидкостного лента, 7 - шнуровой асбест, 8 - каучуковая изоляция, 9 - охлаждения) КА. Некоторые соединительные муфты, 10 - штуцеры отбора давления, 11 - штуцеры для термопар, 12 - U-образный трубчатый ТЭН результаты эксперимента представлены на рис. 3-8. Средняя погрешность экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления составляла 16% и 21%, соответственно, что является удовлетворительными для подобного рода теплофизических исследований.

В четвёртой главе представлены результаты численного параметрического анализа процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА и влияния конструктивных и режимных факторов на их интегральные теплогидравлические характеристики, выполненного с использованием лицензионного программного продукта ANSYS CFX. В качестве параметров, характеризующих эффективность каналов были выбраны комплексы тепловой NuЗМ.Х/NuЗМ.КР (где NuЗМ.Х - число Nu для СЗК исследуемого профиля, NuЗМ.КР - число Nu для Рис. 11. Общий вид экспериментального узла со спирально-змеевиковым каналом СЗК с круглым профилем), гидравлической треугольного сечения = 0 ЗМ.Х/ЗМ.КР (где ЗМ.Х - число для СЗК исследуемого профиля, ЗМ.КР - число для СЗК с круглым профилем) и теплогидравлической = (NuЗМ.Х/NuЗМ.КР)/(ЗМ.Х/ЗМ.КР) эффективностей.

Изменяемыми параметрами являлись: форма сечения СЗК при разных углах ориентации сечения относительно собственной оси (см. рис.1), число RedЭКВ, изменяемое в диапазоне 600

Таблица Профиль канала Геометрические характеристики канала dЭКВ, м f, ма=0,0107м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,08м;

Треугольный = 0 0,00dНАР=0,1142м; L =2,098м; n=6,а=0,0107м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,0858м;

Треугольный = 180 0,00dНАР=0,1204м; L =2,098м; n=6,а=0,0107м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,082м;

Треугольный = 45 0,00dНАР=0,119м; L =2,098м; n=6,а=0,0107м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,079м;

Треугольный = 135 0,00dНАР=0,155м; L =2,098м; n=6,5,02410-а=0,0071м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,085м;

Квадратный 0,00dНАР=0,115м; L =2,098м; n=6,а=0,0071м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,082м;

Ромбический 0,00dНАР=0,118м; L =2,098м; n=6,а=0,0113м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,0849м;

Полукруглый = 0 0,00dНАР=0,1132м; L =2,098м; n=6,а=0,0113м; DЗМ=0,1м; t=0,075м; dВН=0,0875м;

Полукруглый = 180 0,00dНАР=0,1147м; L =2,098м; n=6,Результаты теплогидравлического анализа показали, что наибольшую теплогидравлическую эффективность при выборе профиля каналов имеют СЗК треугольного ( = 0) и квадратного сечений (рис. 1 - 5) по сравнению с СЗК круглого сечения. Комплекс тепловой эффективности NuЗМ.Х/NuЗМ.КР имел максимальные значения для СЗК треугольного сечения с углом ориентации =0 и квадратного профилей в зоне турбулентного течения и достигал значений 1,13 и 1,06 при RedЭКВ=10000. Комплекс гидравлической эффективности ЗМ.Х/ЗМ.КР во всем диапазоне чисел RedЭКВ имел значения ниже 1, т.е. гидравлическое сопротивление СЗК некруглых профилей не превышало сопротивление аналогичных каналов круглого профиля. Исключение составил СЗК полукруглого =0 сечения, который в диапазоне 7000>RedЭКВ>10000 имел сопротивление больше круглого сечения и достигал 1,1 при RedЭКВ=10000. Комплекс имел максимальные значения для треугольного =0 и квадратного сечений и достигал 1,19 и 1,16 при RedЭКВ=10000. С последующим ростом чисел RedЭКВ комплекс стабилизировался.

Для анализа полученных интегральных характеристик была выполнена визуализация распределения полей температур и давлений, а также построены карты течений в исследуемых СЗК на основе численного моделирования. Обнаружено, что действие центробежных сил во всех сечениях приводило к смещению полей максимальных скоростей и давлений потока жидкости в сторону внешней поверхности каналов, что способствовало возникновению поперечных циркуляции в потоке. В случае СЗК треугольного сечения =0 поля максимальных давлений и скоростей распределялись практически вдоль всего основания треугольника (рис.

16), циркуляционные потоки охватывали существенную часть сечения канала по сравнению с треугольным сечением = 180, обеспечивая интенсификацию перемешивания среды и теплообмена.

Рис. 13 Зависимость коэффициента сопротивления Рис. 12 Зависимость числа Nu от числа Re для от числа Re для спирально-змеевиковых каналов спирально-змеевиковых каналов исследуемого исследуемого профиля профиля Рис. 14 К оценке тепловой эффективности Рис. 15 К оценке теплогидравлической спирально-змеевиковых каналов исследуемого эффективности спирально-змеевиковых каналов профиля исследуемого профиля На основании численного исследования влияния шага витков t, отношения (dЭКВ/DЗМ) и числа RedЭКВ на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление СЗК треугольного =0 и квадратного сечений были получены критериальные уравнения чисел Nu и коэффициентов сопротивления (см. Таблицу 2) для последующей разработки инженерной методики теплогидравлического расчета компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью квадратного и треугольного (=0) сечений. За определяющую температуру в зависимостях принята средняя температура жидкости, а за определяющий размер - эквивалентный диаметр dЭКВ. Среднее расхождение при определении чисел Nu и коэффициентов по полученным критериальным зависимостям с исходными данными в диапазоне RedЭКВ<8 000 составило 9,2% и 11,6%, а в диапазоне 8 000< RedЭКВ<10 000 - 2,4% и 4,5%.

Таблица Тип канала Условия применения Критериальные уравнения f Вода, 3 < Prж < 7, 0,05 < dЭКВ / DЗМ < 0,164;

dЭКВ n ЭКВ Спирально- при Red < 8000: n = 1,303, f = -0,44, A = 5,510-4 Nud A Ded Prж,ЭКВ ЭКВ DЗМ при 8000

dЭКВ q =0 при Red < 8000: q = -0,592, d= 0,546, B = 8,5; d В Ded ЭКВ ЭКВ ЭКВ DЗМ при 8000

dЭКВ n при Red < 8000: n = 1,23, f = -0,405, A = 9,310-4; Nud A Ded Prж,ЭКВ ЭКВ ЭКВ СпиральноDЗМ при 8000

квадратный dЭКВ q при Red < 8000: q = -0,638, d= 0,569, B = 12,5; d В Ded ЭКВ ЭКВ ЭКВ DЗМ при 8000

Рис. 16 Распределение скоростей в СЗК треугольного Рис. 17 Распределение скоростей в СЗК треугольного сечения = 0 при Re = 1500 сечения = 180 при Re = 15В диапазоне чисел RedЭКВ < 10000 значения комплекса увеличивались и стабилизировались на границе исследования 9000 < RedЭКВ < 10000. Комплекс для СЗК треугольного =0 и квадратного сечений принимал максимальные значения 1,24 и 1,17 при dЭКВ/DЗМ = 0,05 и RedЭКВ = 10 000, что соответствовало наибольшей теплогидравлической эффективности СЗК при наименьшем эквивалентном размере сечения канала и наибольшем диаметре витков в зоне турбулентного течения.

Рис. 18 Зависимость числа Nu от числа Re для Рис. 19 Зависимость коэффициента от числа Re для спирально-змеевикового канала треугольного = 0 спирально-змеевикового канала треугольного = 0 сечения при переменном симплексе (dЭКВ/DЗМ) сечения при переменном симплексе (dЭКВ/DЗМ) Рис. 20 Зависимость числа Nu от чисел Re для СЗК Рис. 21 Зависимость коэффициента сопротивления квадратного сечения при переменном симплексе от чисел Re для СЗК квадратного сечения при (dЭКВ/DЗМ) переменном симплексе (dЭКВ/DЗМ) Принимая во внимание, что при проектировании компактных узлов охлаждения КА необходимо учитывать и прочностной фактор, был проведен прочностной анализ элемента компактного узла охлаждения с нарезанным на наружной поверхности СЗК с треугольным =0 и квадратным поперечным сечением с использованием программного комплекса ANSYS. Выявлено, что при компоновке узлов охлаждения в фиксированных диаметральных границах (например, вписанных в кольцевой объём, занимаемый водяной рубашкой охлаждения гильзы цилиндра), применение в СЗК треугольного профиля СЗК обеспечивают по сравнению с квадратным профилем СЗК большую величину коэффициента запаса прочности (до 60% для рассмотренных конструктивных параметров и условий нагружения).

Для этих же вариантов исполнения компактного узла охлаждения был проведен расчет чисел Nu и коэффициентов сопротивления по полученным ранее критериальным зависимостям. Результаты расчета представлены на рис. 24, 25 в координатах Nu = f (RedЭКВ) и = f (RedЭКВ). СЗК треугольного поперечного сечения (=0) превосходили по теплоотдаче СЗК квадратного профиля до 16% при сравнительно одинаковых потерях давления.

Для оценки эффективности применения в компактных узлах охлаждения компрессорных агрегатов СЗК треугольного профиля были рассмотрены следующие узлы: рубашка водяного охлаждения цилиндра поршневого компрессора, бессмазочный охлаждаемый полимерный подшипник скольжения типа втулка-вал и теплообменный аппарат.

Применение спирально-змеевиковой проточной части треугольного сечения в водяной рубашке охлаждения цилиндра одноступенчатого малорасходного поршневого компрессора при средней температуре стенки 330 К, идеальной мощностью компрессора 175 Вт, среднем тепловом потоке от стенки 100 Вт, диаметре цилиндра 0,038м, толщине чугунной стенки 0,003 м и температуре охлаждающей жидкости 307 К по сравнению с гладкостенными водяными рубашками обеспечило снижение насосных затрат мощности примерно на 40%, увеличение эффективного КПД компрессора примерно на 4%.

Рис. 24 Зависимость чисел Nu от чисел Re для Рис. 25 Зависимость коэффициентов сопротивления от спирально-змеевиковых каналов, вписанных в чисел Re для спирально-змеевиковых каналов, ограниченное кольцевое пространство вписанных в ограниченное кольцевое пространство Применение спирально-змеевиковой проточной части треугольного сечения в проточке стального вала для охлаждения бессмазочного подшипника (при использовании антифрикционного материала Ф4РМ, с контактным давлением 0,МПа, скоростью вращения 10,5 м/с, длиной и внутренним диаметром подшипника 0,м, толщиной стенки вала 0,005 м, углом контакта 60, средней температурой на поверхности вала 354К, входной температурой жидкости 323К позволило по сравнению с гладким сквозным каналом внутри вала снизить массовый расход жидкости на 60% и гидравлические потери более чем в 1,5 раза, повысить коэффициент компактности узла охлаждения на 90% (с 48 м2/м3 до 92 м2/м3).

С целью улучшения технических характеристик охладителя воздуха 2-й ступени мембранного компрессора производства ОАО УКЗ была предложена его модернизация с использованием в проточной части СЗК с треугольным поперечным сечением с углом поворота вокруг оси канала =0 (рис. 26). Сравнительные лабораторные испытания существующего заводского и вновь разработанного теплообменных аппаратов показали, что они обеспечивают одинаковую тепловую эффективность. Режимные параметры охладителя: массовый расход сжатого воздуха 0,012 кг/с, давление сжатого воздуха на входе в охладитель 9,4 МПа, температура сжатого воздуха на входе 418 К, температура сжатого воздуха на выходе 313 К, температура воды на входе 307 К, температура воды на выходе 311 К, массовый расход воды 0,084 кг/с, коэффициент запаса по теплообменной поверхности не менее 10%, коэффициент запаса прочности n=2,4. Модернизированный охладитель воздуха со спирально-змеевиковой проточной частью треугольного профиля при равных прочих условиях позволил снизить массу существующего теплообменного аппарата на 41%, и повысить коэффициент компактности на 53% (с 90 м2/м3 до 138 м2/м3).

а) б) в) Рис. 26 Модернизированный охладитель газа мембранного компрессора ОАО УКЗ со спирально-змеевиковой проточной частью треугольного сечения: а) - эскиз теплообменного аппарата, б) - труба со спиральнозмеевиковыми каналами треугольного сечения, в) - теплообменный аппарат в сборе.

Выводы и результаты.

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе заключаются в следующем:

1. Разработана методика конечно-элементного расчета процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК компактных узлов охлаждения КА.

2. Получены уточнённые критериальные зависимости для определения чисел Nu и коэффициентов сопротивления для СЗК квадратного и треугольного сечений при использовании в качестве охлаждающей жидкости воды в диапазоне 600 < RedЭКВ < 10000 и 3 < Pr < 7.

3. Получены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов теплоотдачи и течения жидкости в СЗК с различным поперечным сечением и проведена сравнительная оценка их интегральных теплогидравлических характеристик. Обоснована возможность и целесообразность применения СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений в компактных узлах охлаждения КА.

4. Разработана инженерная методика расчета компактных узлов охлаждения компрессорных агрегатов со СЗК квадратного и треугольного поперечных сечений.

5. По результатам проведенного расчётного параметрического анализа влияния конструктивных и режимных факторов на теплогидравлические показатели компактных узлов охлаждения КА со спирально-змеевиковой проточной частью некруглого сечения и по результатам испытаний опытных лабораторных образцов таких узлов разработаны рекомендации по их конструированию, в том числе:

- наибольшая теплогидравлическая эффективность (около 1,2 при RedЭКВ <100и dЭКВ/DЗМ = 0,05) достигается при использовании в проточной части компактных узлов охлаждения СЗК с треугольным (при угле поворота профиля относительно оси канала =0) и с квадратным поперечными сечениями;

- при размещении компактного узла охлаждения КА в ограниченном компоновочном кольцевом пространстве с фиксированными диаметральными и осевыми размерами наибольшую теплогидравлическую эффективность и прочность конструкции обеспечивает спирально-змеевиковая проточная часть треугольного сечения;

- высокая технологичность изготовления проточной части узлов охлаждения со СЗК треугольного и квадратного поперечных сечений при сохранении высоких технических характеристик таких узлов (теплогидравлическая эффективность, компактность и прочность) позволяет говорить о целесообразности предпочтительного использования таких конструкций в КА по сравнению с известными узлами охлаждения типа лцилиндрическая водяная рубашка и спирально-змеевиковые каналы с круглым поперечным сечением.

Основные публикации по теме диссертации.

Статьи в журналахПеречня ВАК 1. Юша, В. Л. Теоретический анализ процессов теплообмена и гидродинамики в спирально-змеевиковых каналах с некруглым поперечным сечением / В. Л. Юша, Е.

В. Сухов // Омский научный вестник. - 2011. - № 3 (103). - С. 186-190.

2. Юша, В. Л. Визуализация теплогидравлических процессов в криволинейных каналах теплообменного оборудования компрессорных, энергетических и теплоэнергетических агрегатов / В. Л. Юша, Е. В. Сухов, А. Н. Сухова, В.А.

Мещеряков // Омский научный вестник. - 2012. - № 1 (107). - С. 257-261.

3. Юша, В. Л. Инженерный анализ компактных теплообменных устройств типа труба в трубе со спирально-змеевиковой проточной частью для компрессорных и холодильных агрегатов / В. Л. Юша, Е. В. Сухов, Ю. К. Машков, В. Н. Сорокин, А. А.

Гладенко // Компрессорная техника и пневматика. - М., 2012. - №2 - С. 33-36.

Статьи в научных изданиях 4. Юша, В. Л. Интенсификация охлаждения бессмазочных ступеней объемных компрессоров / В. Л. Юша, С. С. Бусаров, Д. Г. Новиков, Е. В. Сухов // Тр. XIV Междунар. науч.-тех. конф. по компрессорной технике / ЗАО НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа. - Казань, 2007. - Т. 1. - С. 144-150.

5. Юша, В. Л. Термомеханический анализ элементов проточной части спиральнозмеевикового теплообменника высокого давления / В. Л. Юша, Е. В. Сухов // Динамика систем, механизмов и машин : Материалы VI Междунар. науч.-техн. конф.

/ Омский государственный технический университет. - Омск, 2007. - Кн. 2. - С. 91-95.

6. Сухов, Е. В. Влияние ориентации поперечного сечения треугольного спиральнозмеевикового канала на эффективность узлов охлаждения компрессорного, энергетического и технологического оборудования / Е. В. Сухов // Динамика систем, механизмов и машин : Материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. / Омский государственный технический университет. - Омск, 2009. - Кн. 2. - С. 150-154.

7. Сухов, Е. В. Интенсификация теплообмена в спирально-змеевиковых элементах узлов охлаждения компрессорного оборудования / Е. В. Сухов, В. Л. Юша // Динамика систем, механизмов и машин : Материалы VII Междунар. науч.-техн. конф.

/ Омский государственный технический университет. - Омск, 2009. - Кн. 2. - С. 154158.

8. Сухов, Е. В. Теплообменные аппараты со спирально-змеевиковой проточной частью / Е. В. Сухов, А. А. Шипунова // Инновационные разработки в области техники и физики низких температур : Тез. докл. междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи // Московский государственный университет инженерной экологии. - М., 2010. - С. 196-198.

9. Юша, В. Л. Компактные системы охлаждения компрессорных машин и установок с объёмной турбулизацией потока / В. Л. Юша, Е. В. Сухов // Тр. XV Междунар.

науч.-тех. конф. по компрессорной технике / ЗАО НИИтурбокомпрессор им. В. Б.

Шнеппа. - Казань, 2011. - Т. 2. - С. 279-285.

10. Сухов, Е. В. Сравнение данных по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению для прямых и спирально-змеевиковых каналов, полученных методом экспериментального исследования и математического моделирования в ANSYS CFX / Е. В. Сухов, А. Н. Сухова // Материалы I науч. - техн. конф. аспирантов, магистрантов, студентов Нефтехимического института ОмГТУ и учащихся старших классов, посвященной 10-летию Нефтехимического института ОмГТУ / Омский государственный технический университет. - Омск, 2011. - С. 206-213.

11. Сухов, Е. В. Методика экспериментального исследования теплоотдачи и гидродинамики в спирально-змеевиковых каналах / Е. В. Сухов, А. Н. Сухова, А. А.

Шипунова // Материалы I науч. - техн. конф. аспирантов, магистрантов, студентов Нефтехимического института ОмГТУ и учащихся старших классов, посвященной 10летию Нефтехимического института ОмГТУ / Омский государственный технический университет. - Омск, 2011. - С. 213-219.

12. Сухов, Е. В. Методика расчетно-теоретического исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в спирально-змеевиковых каналах сложной формы / Е. В. Сухов, А. Н. Сухова // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса : Матер. Междунар. науч.-практ. конф. / Омский государственный технический университет. - Омск, 2011. - С. 195-198.

13. Юша, В. Л. Анализ процессов теплообмена и гидродинамики в змеевиковых каналах треугольного сечения, ориентированного относительно винтовой оси / Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках : [электронный ресурс] / В.Л. Юша, Е.В. Сухов. - Электрон. текст. дан. (291 Mb) - М., 2011. - 1 электрон. опт.

диск (CD-ROM). - Свид. о гос. рег. №.0321102743 от 20.10.2011.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям