Разработка и исследование высокоэффективных теплообменных аппаратов матричного и планарного типов для компактных низкотемпературных систем и установок

Размер канала и режимные параметры следующие:

высота (глубина) канала 0,5 мм; ширина канала 0,5 мм (т.е. a/h=1); скорость азота на входе в канал 0,2 м/с; температура газа на входе 300 К; температура стенки на входе 280 К; температура стенки на выходе 80 К.

Аналогичные расчётные значения локальных значений и f получены для большого количества микроканалов с другими геометрическими формами и параметрами.

Результаты численных исследований показали, что любая изогнутая форма микроканала интенсифицирует в два и более раза теплообмен по сравнению с прямым каналом, одновременно увеличивая потери на трение газа в канале; применение программного комплекса ТСПТ для численного исследования процессов теплообмена в микроканалах правомочно для многих частных случаев форм и размеров каналов с ламинарным течением теплоносителя.

Особенностью дисковой конструкции являлось то, что канал для обратного потока низкого давления представляет собой пористую структуру, изготовленную из плетёной металлической сетки (рис.19б). Конструкция микрорефрижератора защищена патентом № 1758364.

При проектировании таких конструкций планарных микрорефрижераторов требовалось знание теплогидравлических характеристик каналов с сетчатой пористой структурой. В таком канале происходит течение теплоносителя вдоль плоскости сетки. Полученные результаты исследования показали, что теплогидравлические характеристики щелевого канала, заполненного сеткой, существенно отличаются от таковых для гладкой щели и сетчатой матрицы.

Экспериментально исследованы 2 планарных микрорефрижератора с каналами зигзагообразной формы (рис. 21).

Оба микрорефрижератора испытывались на различных режимах. Микрорефрижератор трехслойной конструкции испытывали на азоте при давлении 18 МПа прямого потока на входе в центральный канал.

Давление азота не менялось во времени, т.к. азот подавался из сети. Микрорефрижератор двухслойной конструкции испытывали как на азоте, так и на газовых смесях с высоким начальным давлением 17…22 МПа.

На графике (рис. 21) показано изменение температуры пластины в зоне, расположенной за дроссельным каналом, т.е. в зоне конструкции, имеющей минимальную температуру, которая достигала 83 К.

В пятой главе приведены предложенные показатели оценки эффективности теплообменных поверхностей применительно к рекуперативным и регенеративным теплообменникам и даны результаты их применения для оценки эффективности исследованных матричных и других альтернативных поверхностей теплообмена. В этой главе также представлены результаты технико-экономического исследования эффективности матричного теплообменника, показаны особенности расчёта высокоэффективных теплообменников для криогенных установок и приведена методика расчёта МТ.

При проектировании этих установок предпочтение отдается таким типам и конструкциям теплообменных аппаратов, которые позволяют получить минимальные габариты при прочих равных заданных условиях. Аппараты с малыми размерами имеют, как правило, и меньшую массу и массовую теплоемкость конструкции, что важно при пусковых и переходных режимах работы установок. Теплопритоки к таким аппаратам, также меньше. Для выявления поверхности, которая позволила бы получить теплообменник минимального объема, не обязательно проводить его полный тепловой и гидравлический расчет, а достаточно получить отношение объемовV2/V1, занимаемых данной и сравниваемой поверхностью при одинаковых условиях, а именно при равных: тепловой нагрузке поверхностей Q, расходе теплоносителя через поверхности G, гидравлическом сопротивлении поверхностей Р и среднем температурном напоре t между потоком и поверхностями.

Отношение:

(30)

позволяет проследить изменение отношения V2/V1 в зависимости от расхода теплоносителя, т.е. в зависимости от Re1.

Отношение фронтальных сечений сравниваемых поверхностей будет равно:

.

Проведенное сравнение четырнадцати поверхностей (см. табл. 25 диссертации) показывает, что наименьшие объемы теплообменников могут быть получены при использовании матричных поверхностей.

Для оценки эффективности регенеративных поверхностей, т.е. насадок, применен относительный тепловой показатель Q/Qб, в котором Q -- количество тепла, переданное сравниваемой поверхностью, а Qб -- количество тепла, переданное базовой поверхностью, относительно которой ведется сравнение. Значения теплового показателя Q/Qб рассчитываются при условии, что расходы теплоносителя G через насадки, гидравлическое сопротивление Р и объемы V сравниваемой и базовой поверхностей равны (S-компактность).

С учетом изменения величины температурных напоров по времени формула для определения относительного теплового показателя запишется так:

(32)

Предложенный метод оценки эффективности регенеративных поверхностей теплообмена позволил обоснованно определять температурную границу смены насадок в регенераторах с комбинированной насадкой. Было установлено, что для комбинированной насадки регенератора ГХМ состоящей из мелкой бронзовой сетки и свинцовых шариков температурная граница смены насадок не всегда совпадает с температурой (T=60K), при которой равны удельные значения теплоёмкости свинца и бронзы и может меняться в широком диапазоне температур (20…150 K) в зависимости от числа Re теплоносителя.

В разделе 5.3 представлены результаты исследований технико-экономической эффективности матричного теплообменника предназначенного для эксплуатации в составе бортовой самолётной системы. Оценка производилась по затратам за весь жизненный цикл аппарата, включая затраты на НИОКР, себестоимость теплообменника, стоимость провоза единицы массы теплообменника, стоимость оборудования для его изготовления и с учетом ресурса эксплуатации. Показано, что экономический эффект от замены трубчатого теплообменника на матричный имеет место уже при равенстве их ресурсов и растет с увеличением ресурса матричного теплообменника, который в несколько раз больше по сравнению с трубчатым аппаратом. Экономический эффект ЭТ от замены трубчатого ТА на матричный рассчитан в виде разности соответствующих суммарных затрат за ЖЦ для каждого ТА.

Эт = Зтр.жц - Зм.жц, (33)

гдеЗтр.жц. и Зм.жц. - затраты за ЖЦ для трубчатого и матричного теплообменников, соответственно.

В разделе 5.4 показана особенность расчёта высокоэффективных ТА для криогенных установок. Опыт создания и исследования высокоэффективных ТА (т ?0,95) показывает, что действительная эффективность аппарата оказывается меньше расчетной. Действительные выходные температуры теплоносителей отличаются от расчетных и, чтобы обеспечить требуемую проектную эффективность ТА, приходится увеличивать его поверхность теплообмена. Такая ситуация нередко возникает при проектировании ТА нижних ступеней охлаждения, где эффективность ТА достигает т =0,98.

В результате анализа процессов теплообмена в высокоэффективных противоточных ТА было установлено, что причиной снижения эффективности аппаратов является действие вторичных факторов теплообмена, возникающих в реальной конструкции ТА. Такими факторами являются:

- продольная теплопроводность по стенкам разделяющим теплоносители и элементам поверхности теплообмена, возникающая из-за разности температур между теплым и холодным концами ТА;

- теплоприток из окружающей среды к поверхности теплообмена ТА;

- расходная неравномерность одноименного теплоносителя между каналами и по сечению каждого канала, возникающая из-за неравномерности поля скоростей на входе в каналы, а также из-за отклонения размеров сечений каналов от номинальных.

Если предположить, что влияние этих факторов на теплообмен проявляется независимо друг от друга, то эффективность реального аппарата можно представить как:

,(34)

гдел, о.с, р - доля снижения эффективности ТА из-за влияния продольной теплопроводности, теплопритоков, расходной неравномерности, соответственно.

т - теоретическая эффективность ТА не подверженного влиянию вторичных факторов;

В работе показано, что применяя результаты исследований П. Крёгера, Р. Баррона, И.Н. Журавлёвой и др.можно определить значения л, о.с, р.

В разделе 5.5 приведена методика оптимизационного расчёта матричного теплообменника. Методика предполагает два варианта расчета - проектный и поверочный. Методика проектного расчета позволяет оптимизировать ширину каналов МТ и количество пар каналов, что в конечном итоге приводит к оптимизации всех габаритных размеров матрицы (высоты и поперечного сечения). Целевой функцией оптимизации при выбранных геометрических параметрах ПП и прокладки является объем матрицы. Поверочный расчет производится при известных размерах поперечного сечения матрицы теплообменника.

Оба варианта расчета имеют место в практике проектирования новых конструкций теплообменных аппаратов матричного типа.

В шестой главе показаны технологические особенности, достижения и проблемы изготовления матричных и планарных теплообменников из различных металлов (медь, сталь, алюминиевые сплавы и титан). Перфорированные пластины, как с круглой, так и со щелевой формой перфорации можно получать методом механической штамповки, что экономически оправдано при изготовлении большого числа пластин.

Для изготовления тонких медных перфорированных пластин практически с любыми размерами и формой перфорации можно использовать способ гальванопластики, который представляет собой комплекс фотохимических и гальванических процессов. Для получения ПП из алюминия и алюминиевых сплавов применяют способ электрохимического травления. Получение алюминиевых пластин травлением является сложным, но отработанным технологическим процессом. Другой элемент матрицы - прокладки (как неметаллические, так и металлические) изготавливают вырезкой по шаблону или более производительным способом - вырубкой с помощью штампа.

Тонкие металлические прокладки с малой шириной перемычек можно получить способом магнито-импульсной штамповки с использованием упругой промежуточной среды (резины) для передачи энергии деформации. При таком методе удается полностью исключить утяжку металла и образование заусенцев. Магнито-импульсной штамповкой, в частности, изготавливали прокладки из листа коррозионностойкой стали толщиной п=0,2...0,3 мм при ширине внешних и внутренних перемычек между каналами В=2…2,5 мм на предприятии НПО "НАУКА" (г. Москва).

В работе приводятся сведения по технологии склеивания элементов матрицы в единую герметичную конструкцию. Такие технологии разработаны в Одесской государственной академии холода, НПО "Гелиймаш" совместно с ЛТИ им. Ленсовета, в НПО "Криогенмаш". Однако клеёные конструкции не обладали требуемой прочностью и надёжностью соединения.

При изготовлении матричных теплообменников только вакуумно-диффузионная сварка позволяет получать высокопрочные и герметичные конструкции матричных и планарных теплообменников. Положительные результаты получены при изготовлении таким способом матриц, состоящих из медных ПП и прокладок из стали 12Х18Н10Т. Отклонение размеров каналов от номинальных в таких конструкциях минимально. Первые сварные теплообменники матричного и планарного типа изготовлены В.А. Веселовым в НПО "Кислородмаш" (г.Одесса) по его технологии. Особый интерес представляют конструкции матричных теплообменников изготовленные из лёгких металлов (алюминий, титан), элементы которых соединены диффузионной сваркой.

Поисковые исследования по разработке алюминиево-титанового МТ проводились нами совместно с Волгоградским государственным техническим университетом (каф. "Сварочное производство") и НПО С.А. Лавочкина, где осуществлялась диффузионная сварка экспериментальных образцов МТ. По результатам исследований получен патент № 1760301 на конструкцию алюминиево-титанового матричного теплообменника и способ его изготовления. Прокладки для такого МТ изготавливались из тонколистового композиционного материала (ТЛКМ) толщиной ~ 0,9 мм. ТЛКМ представлял собой лист титана BT1-0 плакированный с обеих сторон алюминием А5 методом сварки взрывом с последующей прокаткой до требуемой толщины (0,6...1,0 мм). Толщина плакировки с каждой стороны ~ 0,3 мм.

В РГТУ им. К.Э. Циолковского-"МАТИ" (О.А. Барабанова) совместно с Одесской государственной академией холода (В.В. Притула) разработан новый способ изготовления матричных теплообменников, алюминиевые элементы которых прочно соединены между собой через тонкую прослойку стекла. Полученная таким образом матрица представляет собой слоистый композиционный материал (СКМ), состоящий из плоских алюминиевых ПП, прокладок и тонких слоёв связующего материала, который является многокомпонентной оксидной системой (МОС), синтезированной на основе оксидов свинца, бора, цинка, кремния меди и висмута.

Возможность применения предложенной технологии для изготовления матричных теплообменников из алюминия и его сплавов является основным достоинством этого метода. В то же время теплообменники изготовленные таким образом имеют ограничения по избыточному давлению теплоносителей, которое не должно превышать 2,5 МПа.

Технология диффузионной сварки в вакууме медно-стальных матричных ТА, исследованных в настоящей работе, допускает их работоспособность при давлениях теплоносителей выше на порядок, т.е. до 25 МПа и более.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны, созданы и исследованы новые типы высокоэффективных теплообменных аппаратов матричного и планарного типов, предназначенные для применения в компактных и миниатюрных криогенных системах. Основу их конструкций составляет тонколистовая слоисто-пористая металлическая композиция (матрица) с компактностью, достигающей 104 м2/м3 и более. Изготовление таких теплообменников осуществляется с применением современных высоких технологий: диффузионной сварки, высокоточной штамповки тонких плоских элементов, электрохимического травления в сочетании с фотолитографией.

2. В результате выполненного комплекса экспериментальных работ:

- исследованы процессы теплообмена и течения газообразного теплоносителя в сетчатых матрицах, изготовленных из сеток отечественного производства (N 004….N 112) при разных способах их укладки в матрицу (плотная, разреженная). Впервые исследовано влияние турбулентных и расходных пульсаций теплоносителя на интенсивность конвективного теплообмена в матрице. Установлена количественная связь между стабилизацией теплообмена в плотноупакованной матрице и её относительной высотой;

- исследован процесс теплообмена и течения однофазного теплоносителя в матрицах из перфорированных пластин с круглой и щелевой перфорацией с диаметром отверстия (щели) 0,5…2,0 мм и имеющих компактность 6320…982 м2/м3. Исследованы матрицы, имеющие три варианта взаимного расположения отверстий: со смещением, без смещения и комбинированные (последние исследованы впервые);

- исследован теплообмен и гидродинамическое сопротивление при кипении теплоносителя (воды) в канале с матричной поверхностью из перфорированных пластин при вынужденном течении теплоносителя и в условиях естественной конвекции. Впервые получено большое количество экспериментальных данных по интенсивности теплообмена при кипении в стеснённых условиях зазора (д? 1мм.) между перфорированными пластинами в режимах недогрева (Tнг=0…34K), при температурных напорах Ts=0…4 K и массовых паросодержаниях на входе до 10%; определён критический тепловой поток (qкр 300 кВт/м);

- результаты исследований теплогидравлических характеристик при конвективном теплообмене однофазного теплоносителя в сетчатых матрицах и в матрицах из перфорированных пластин с круглой и щелевой перфорацией систематизированы, обобщены и представлены в виде критериальных зависимостей удобных для практического применения; полученные результаты при кипении в канале с матричной поверхностью также обобщены и представлены в виде удобном для расчёта теплообменников-испарителей матричного типа с круглой перфорацией при различных значениях геометрических параметров матрицы (d=1,6...2мм., п=0,71...1,03мм., =0,5…1,0мм, p=0,732…0,919) и различных режимах кипения.

3. Выполнены теоретические исследования эффективности плоского перфорированного одиночного ребра треугольной формы, а также ребра функционирующего в составе матрицы, когда температура потока омывающего ребро не является постоянной по сечению канала, результаты этих исследований подтверждены экспериментальными данными; выполнена оптимизация размеров основных геометрических параметров перфорированных пластин.

4. Изготовлены и испытаны матричные теплообменники в составе ряда действующих установок и образцов новой техники: при криогенных температурах (4,5 K) в составе гелиевого ожижителя ОГ-200 (НПО "Криогенмаш"); в системе охлаждения масла топливом турбореактивного авиационного двигателя (НПО "МОТОР", г. Уфа); в установке рифороминга бензина в качестве подогревателя паров бензина (АО "Морские системы Сухого"). Проведённые испытания подтвердили работоспособность и высокую эффективность матричных теплообменников в полном соответствии с заданными условиями на их проектирование.

5. Впервые разработаны и испытаны экспериментальные образцы микрорефрижераторов, изготовленных на базе металлических (сталь 12Х18Н10Т) планарных микротеплообменников; выполнено численное и экспериментальное исследование особенностей теплообмена и течения газа в микроканалах сложной формы, применяемых в планарных теплообменниках. Установлено, что в этих каналах интенсивность теплообмена существенно меняется по длине, а средние коэффициенты теплоотдачи выше, чем в прямых каналах в два и более раз и зависят от геометрической формы и размеров сечения каналов.

6. Для оценки эффективности исследованных теплообменных поверхностей матричного типа разработаны методики, позволяющие по относительному (относительно базовой поверхности) объёмному (габаритному) или относительному тепловому показателю определить эффективность сравниваемых между собой теплообменных поверхностей. При этом целевой функцией (относительным показателем) учитываются тепловые, гидравлические и геометрические характеристики сравниваемых поверхностей.

7. С помощью относительного объёмного показателя проведено сравнение матричных поверхностей между собой, с пластинчато-ребристыми поверхностями и с трубчато-витыми. Показано, что матричные поверхности по эффективности не уступают известным поверхностям теплообмена, а с понижением рабочей температуры их эффективность возрастает.

8. Технико-экономическое исследование эффективности матричных теплообменников показало их преимущество по сравнению с традиционной штатной конструкцией трубчатых теплообменников, применяемых в системах охлаждения масла современных авиационных турбореактивных двигателей. Показателем технико-экономической эффективности теплообменников являлись затраты за весь жизненный цикл аппаратов. В результате был сделан вывод о том, что уже при одинаковом с трубчатыми теплообменниками ресурсе матричные теплообменники дают существенную экономию, которая увеличивается с ростом ресурса матричных теплообменников. При этом специальные испытания, проведённые в соответствии с требованиями к авиационной технике, показали неограниченный прочностной ресурс работы матричного теплообменника.

9. В результате комплекса проведённых исследований созданы научно-технические основы для проектирования нового поколения теплообменных аппаратов матричного и планарного типов, разработаны методы и методики расчёта матричных теплообменников, учитывающие технологию их изготовления с применением диффузионной сварки в вакууме. Особенностями методики расчёта является то, что она позволяет минимизировать объём (массу) конструкции, а также учитывать влияние вторичных факторов (продольную теплопроводность и теплоприток извне) на эффективность теплообменника и, как следствие, на его конечные размеры.

10. В работе также рассмотрены вопросы, связанные с технологическими особенностями изготовления матричных и планарных теплообменников, а также технологические проблемы изготовления матричных теплообменников из лёгких металлов (алюминий, титан).

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Микулин Е.И., Шевич Ю.А. Матричные теплообменные аппараты - М.: Машиностроение, 1983. - 110 с.

Криогенные системы; В 2 т. / А.М. Архаров, И.А. Архаров, Ю.А. Шевич и др.// Под ред. А.М. Архарова и А.И. Смородина.- М.: Машиностроение.- 1999.- Т.2 - Основы проектирования аппаратов, установок и систем.- 720 с.

Теплотехника/А.М.Архаров, И.А.Архаров, Ю.А. Шевич и др.; Под ред. А.М. Архарова и В.Н. Афанасьева - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004, - 711 с.

Микулин Е.И., Шевич Ю.А. Сравнение теплообменных поверхностей по относительным габаритным показателям// Известия ВУЗов. - 1977. -N9. - С. 48-54

Микулин Е.И., Шевич Ю.А. К анализу геометрических параметров перфорированных пластин матричных теплообменников//Труды МВТУ. Глубокий холод и кондиционирование.- 1979.- №296.- С. 18-23

Микулин Е.И., Шевич Ю.А., Потапов В.Н. Исследование эффективности перфорированных пластин матричных теплообменников// Химическое и нефтяное машиностроение.- 1979.- №5.- С. 13-15

Микулин Е.И., Шевич Ю.А. К оценке эффективности регенеративных поверхностей теплообмена.// Труды МВТУ. Глубокий холод и кондиционирование.- 1982-№381.-С. 55-63

Микулин Е.И., Шевич Ю.А., Потапов В.Н. К расчету высокоэффективных аппаратов криогенных установок.// Труды МВТУ. Глубокий холод и кондиционирование.- 1986.- №460.- С. 72-83

Дроссельные микрорефрижераторы с теплообменниками планарного типа/ Т.К. Даниленко, И.М. Давыдова, В.А. Веселов, Ю.А. Шевич// Химическое и нефтяное машиностроение.- 1989.- №10.- С. 17-19

Шевич Ю.А., Бакалейский С.Н., Чижиков Ю.В. Технико-экономическое исследование эффективности матричного теплообменника// Труды МГТУ. Глубокий холод и кондиционирование.- 1991.- №554.- С. 14-21

Исследование характеристик теплообменных поверхностей планарных микрорефрижераторов/ Т.К. Даниленко, Н.А. Соловов, С.Е. Климашенок, Ю.А. Шевич// Труды МГТУ. Глубокий холод и кондиционирование.- 1991.- №554.- С. 143-158

Влияние низких температур на теплообмен в матричных теплообменных аппаратах/Е.И. Микулин, Ю.А. Шевич, Н.А. Пуртов и др.// Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш".- Балашиха, 1992.- С. 31-38

Микулин Е.И., Шевич Ю.А., Лысый О.А. Исследование теплообмена при кипении на матричных поверхностях из перфорированных пластин//Известия ВУЗов. Машиностроение.- 1992.-№10-12.- С. 67-70

Микулин Е.И., Шевич Ю.А., Лысый О.А. Влияние недогрева на интенсивность теплообмена при кипении на матричных поверхностях

// Известия ВУЗов. Машиностроение.- 1993.-№3-5.- С. 62-65

Микулин Е.И., Шевич Ю.А., Лысый О.А. Экспериментальное исследование теплообмена при конвективном кипении в канале с матричной поверхностью/ Известия ВУЗов. Машиностроение.- 1993.-№10-12.- С. 61-63

Микулин Е.И., Шевич Ю.А., Лысый О.А. Исследование теплообмена при кипении на матричных поверхностях из перфорированных пластин

// Вестник МГТУ. Машиностроение. - 1993. - Спец. выпуск.- С. 34-40

Шевич Ю.А., Новые разработки и исследования матричных теплообменных аппаратов// Вестник МГТУ. Машиностроение. - 1995. - Спец. выпуск.- С. 61-66

Шевич Ю.А., Шакерова О.Н. Исследование теплообмена при кипении в

каналах теплообменника-испарителя// Вестник МГТУ. Машиностроение. - 1996. - Спец. выпуск.- С. 58-62

Shevich Y.A., Veselov V.A. New Development and Research of Matrix Heat Exchangers // The Fifth Criogenics`98 IIR International conference.- Praha, (Czech Republic), 1998.-P. 64-67

Размещено на Allbest.ru