Выпуск:
2020. Том 6. № 2 (22)Об авторах:
Аксенов Борис Гаврилович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики, Тюменский индустриальный университет; aksenovbg@tyuiu.ruАннотация:
При создании и производстве теплообменных аппаратов одной из основных задач является повышение эффективности теплообмена. Использование в теплообменных аппаратах пористых металлов является одним из перспективных способов увеличения интенсивности теплообмена, чем обусловлена актуальность исследования. В работе приводится обзор состояния данного вопроса по литературным источникам. Цель работы — провести экспериментальное изучение теплообменного аппарата с пористыми материалами, составить математическую модель, позволяющую проводить аналитические расчеты таких теплообменных аппаратов, подтвердить правильность составленной модели экспериментально. Создан экспериментальный стенд, позволяющий изучить теплообменный аппарат, в котором используется пористый алюминий. Горячий теплоноситель — теплая вода, которая течет по трубкам, проходящим сквозь пористый металл. Сквозь поры протекает холодный теплоноситель — фреон, который охлаждает воду. Приводится принципиальная схема и описание стенда. Проведен цикл испытаний. Приведено сравнение интенсивности теплообмена для материалов различной пористости.
Использование типовых методик расчета теплообменных аппаратов в рассматриваемом случае не представляется возможным ввиду отсутствия стандартных способов определения площади внутренней поверхности с порами. В ходе выполнения работы стандартное уравнение, описывающее охлаждение пористого тела, было предложено дополнить функцией распределенных источников тепла. В результате получена математическая модель рассматриваемого теплообменного аппарата в упрощенном виде, которая может быть использована в технических расчетах. Результаты расчета по полученной методике соотнесены с данными проведенных экспериментов. Отклонения эмпирических и теоретических данных в допустимых пределах. Полученные результаты дают возможность использовать пористые металлы с целью увеличения интенсивности теплообмена при изготовлении теплообменных аппаратов. Данная методика позволяет производить расчеты при неизвестной площади поверхности теплообмена, учитывая при этом теплоемкость и теплоту фазового перехода, если таковой имеет место.
По методологии статья является экспериментально-теоретической. Проводятся эксперименты на созданном лабораторном стенде. Параллельно производятся расчеты по разработанной математической модели. Полученные результаты сравниваются. Делаются выводы теоретического и прикладного характера.
Ключевые слова:
Список литературы:
Генбач А. А. Моделирование теплообмена в пористой системе охлаждения подшипника турбины / А. А. Генбач, В. О. Байбекова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Том 60. № 6. С. 558-570.
Гортышов Ю. Ф. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования / Ю. Ф. Гортышов, И. А. Попов, В. В. Олимпиев, А. В. Щелчков, С. И. Каськов. Казань: Центр инновационных технологий, 2009. 531 с.
Дементьев А. И. Математическая модель тепловых процессов в слое пористого металлического покрытия / А. И. Дементьев, Е. В. Подоплелов, Л. А. Антонов, Н. А. Корчевин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 2 (46). С. 65-68.
Дементьев А. И. Разработка оборудования для нанесения пористого металлизированного покрытия на поверхность теплообменных труб / А. И. Дементьев, Е. В. Подоплелов, В. В. Мартинюк, Н. А. Корчевин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. № 2 (54). С. 49-54.
Ильющенко А. Ф. Процесс получения пористых проницаемых материалов спеканием электрическим током металлических порошков, волокон и сеток / А. Ф. Ильющенко, И. Н. Черняк, Р. А. Кусин, Е. Н. Еремин // Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Том 6. № 2. С. 191-196.
Исаченко В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергия, 1975. 488 с.
Испарительный элемент: пат. СССР 494585: МПК F28D5/00 / О. В. Сургучев, В. И. Несынов, Ю. Б. Куликов, Ю. М. Прохоров, Л. Л. Васильев, О. Г. Расин. № 1996239/24-6; заявл. 12.02.1974; опубл. 05.12.1975, Бюл. № 45. URL: http://patents.su/?search = 494585&type = number (дата обращения: 01.05.2020).
Макеева Е. Н. Интенсивные теплообменные поверхности для испарителей холодильных и теплонаносных установок на смесевых озонобезопасных гидрофторуглеродов / Е. Н. Макеева, О. А. Кныш // Энергетика. Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. 2019. № 3. С. 71-76.
Овсянник А. В. Определение параметров теплообмена при парообразовании смесевых хладагентов на высокотеплопроводных порошковых спеченных капиллярно-пористых покрытиях / А. В. Овсянник, Е. Н. Макеева // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Том 61. № 1. С. 70-79.
Осипов С. Н. Энергоэффективные малогабаритные теплообменники из пористых теплопроводных материалов / С. Н. Осипов, А. В. Захаренко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Том 61. № 6. С. 346-358.
Пелевин Ф. В. Конвективный теплообмен в пористых материалах при двумерном течении теплоносителя / В. Ф. Пелевин, В. В. Лозовецкий // ММФ-2008: VI Минский международный форум по тепло- и массообмену (19-23 мая 2008 г.): тез. докл. и сообщ. Минск: Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2008. Том 2. С. 217-218.
Пелевин Ф. В. Новый подход к охлаждению ракетного кислородно-керасинового двигателя / Ф. В. Пелевин, Н. И. Авраамов, П. Ю. Семенов // Наука и образование. 2012. № 6. С. 107-118.
Пелевин Ф. В. Рекуперативный теплообменный аппарат с пористым металлом для жидкостного ракетного двигателя / Ф. В. Пелевин, А. В. Понамарев, П. Ю. Семенов // Машиностроение. Известия высших учебных заведений. 2015. № 6 (663). С. 74-81.
Пластинчатый теплообменник: пат. Рос. Федерация 2478891: МПК F28D9/00 / Ю. А. Кирсанов. № 2011115444/06; заявл. 19.04.2011; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10. URL: https://patentdb.ru/patent/2478891 (дата обращения: 01.05.2020).
Попов И. А. Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах и аппаратах. Интенсификация теплообмена / И. А. Попов. Казань: Центр инновационных технологий, 2007. 240 с.
Пористокомпактный теплообменник: пат. Рос. Федерация 2001374: МПК F28F3/02 / В. П. Горда, С. В. Кострубов. № 4934817/06; заявл. 07.05.1991; опубл. 15.10.1993, Бюл. № 37-38. URL: https://patentdb.ru/patent/2001374 (дата обращения: 01.05.2020).
Степанов О. А. Использование пористых металлов для повышения эффективности теплообменных аппаратов / О. А. Степанов, Н. В. Рыдалина // Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Национальной с международным участием научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов. 2019. С. 34-36.
Трушляков В. И. Экспериментальные исследования процессов тепло- и массообмена при испарении жидкостей / В. И. Трушляков, В. Ю. Куденцов, И. Ю. Лесняк, Л. Гальфетти // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. Том 1. № 2. С. 10-17.
Davletbaev V. Experimental investigation of the heat exchange intensity / V. Davletbaev, N. Rydalina, E. Antonova // EECE 2018: International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (19-20 November). MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 245. P. 07002. DOI: 10.1051/matecconf/201824507002
Stepanov О. Heat-exchange units with porous inserts / О. Stepanov, B. Aksenov, N. Rydalina, E. Antonova // EECE 2019: International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (19-20 November). E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 140. P. 05006. DOI: 10.1051/e3sconf/201914005006
