Повышение эффективности теплообменных аппаратов различных конструкций с поршковыми и сетчатыми пористыми материалами

Введение. Совершенствование теплотехнических конструкций соп^овождается все большим ^остом теплонаг^уженности их основных узлов. Это заставляет искать новые концепции систем охлаждения, ^аз^абатывать п^инципиально отличающиеся методы о^ганизации теплообмена, побуждает к поиску новых ст^укту^ и физических принципов. Взгляд инженеров-теплотехников со второй половины ХХ века довольно п^истально уст^емился в сто^ону всесто^оннего использования по^истых мате^иалов, количество и ^азнооб^азие кото^ых неизменно ^астет [1]. Спект^ областей п^именения по^ошковых и сетчатых по^истых мате^иалов очень широк: от бытовых фильтров [2], медицинских приборов, сварочно-^ежущих п^испособлений [3] до элементов в нефтедобывающих установках [4], узлов ст^оительной, до^ожной, сельскохозяйственной техники, авиа- и ракетостроении [5], что говорит о значительной

^асп^ост^аненности по^ошковых и сетчатых по^истых мате^иалов как в гражданской промышленности, так и в военном деле.

Основная часть. Способы повышения эффективности теплообменных аппаратов с пористым наполнителем.

Улучшение характеристик пористых материалов.

П^именение по^истых по^ошковых и сетчатых мате^иалов в ^азличных вновь создаваемых конст^укциях теплообменных аппа^атов оказалось весьма пе^спективным. Интенсификация теплообмена в по^истых ст^укту^ах усиливалась п^и использовании различных веществ, в частности, сжимаемых [6-8], находящихся в ^азличных аг^егатных состояниях, в случае п^именения двухфазных потоков ^азных теплоносителей. Конечно же, п^и ^еализации таких способов теплообмена ^асчеты оказывались весьма г^омоздкими, т^ебующими ог^омных в^еменных ^есу^сов. Для сок^ащения в^еменных зат^ат, уп^ощения ^асчетов и повышения их точности и ^азносто^онности с бу^ным ^азвитием компьюте^ной техники стали создаваться мощные ^асчетные комплексы [9] и компьюте^ные модели [10-12], позволяющие автоматизировать все расчеты [13,14] и полномасштабно и наглядно п^едставить и изучить все возможные пути сове^шенствования теплообменных аппа^атов. В дополнение к огово^енным п^еимуществам такие комплексы значительно снижали мате^иальные зат^аты на изучение улучшений в ^ассмат^иваемых конст^укциях. К^оме того, такие п^ог^аммные комплексы для всесто^онних научных исследований пе^спективных конст^укций в упрощенном виде можно использовать в лабораторных работах при о^ганизации учебного п^оцесса и для ^ешения п^икладных задач, связанных с тепломассообменом [15].

Главная задача по^ошковых и сетчатых по^истых теплообменных элементов п^и подводе теплоты к неп^оницаемой пове^хности – интенсификация теплообмена между охлаждаемой пове^хностью и омывающим ее потоком теплоносителя. В этом случае п^оисходит качественное изменение п^оцесса теплообмена: тепло пе^едается теплоп^оводностью от неп^оницаемой пове^хности к п^оницаемой мат^ице, что п^иводит к ^езкому увеличению площади пове^хности теплообмена по с^авнению с гладким каналом, и далее поглощается потоком теплоносителя. Таким об^азом, в п^оцессе теплообмена участвует п^актически весь объем теплоносителя, а не только п^истеночный слой. П^и этом необходимо, чтобы мате^иал по^ошковой или сетчатой по^истой ст^укту^ы имел высокую теплоп^оводность и идеальный тепловой и механический контакты со стенкой.

Рисунок 1 - По^истый т^акт охлаждения газогене^ато^а

Подобный способ интенсификации теплообмена дает возможность п^и помощи однофазного теплоносителя охлаждать неп^оницаемую пове^хность, подве^женную воздействию значительных тепловых потоков, что явилось п^ичиной того, что па^аллельно с ^азвитием технологии изготовления по^ошковых и сетчатых по^истых мате^иалов было п^едложено и большое количество ^азнооб^азных конст^укций теплообменных аппа^атов с использованием по^истой с^еды. Однако т^акт, заполненный по^истым металлом (^ис.1), на^яду с высокой интенсификацией теплообмена, отличается большим коэффициентом соп^отивления, кото^ый п^иводит к недопустимо большим поте^ям давления. С поте^ями давления во вновь создаваемых конст^укциях т^адиционно бо^ются в двух нап^авлениях: снижая ско^ость движения теплоносителя в по^истой с^еде и уменьшая путь фильт^ации теплоносителя.

Увеличение по^истости с^еды хоть и ведет к уменьшению соп^отивления [16], но снижает п^очностные и теплоп^оводные ха^акте^истики по^истого элемента, из-за чего, как следствие, снижается теплоотдача в т^акте. Многие по^истые мате^иалы невозможно использовать в конст^укциях теплообменников, если их пористость больше 0,6.

Повысить эффективность канала с по^истой с^едой можно, увеличив теплоп^оводность мате^иала вставки, используя с этой целью специальные по^истые сетчатые мате^иалы (ПСМ). ПСМ являются анизот^опными мате^иалами, обладают высокой п^очностью и п^оницаемостью, стабильными гид^авлическими ха^акте^истиками, хо^ошими технологичностью и п^огнози^уемостью свойств. Эти качества делают ПСМ наиболее п^иемлемыми для использования в теплообменных аппаратах с пористым наполнителем.

На эффективность по^истого т^акта с ПСМ влияет ^асположение слоев сеток относительно охлаждаемой пове^хности. П^и по^истости, большей 0,3, теплоп^оводность ПСМ в нап^авлении волокон в 1,5-2 раза больше, чем теплопроводность от слоя к слою. Таким об^азом, п^авильно ^асположив слои сеток относительно нап^авления теплового потока, можно повысить теплоп^оводность ПСМ, а значит, и теплоотдачу, не используя более теплоп^оводный мате^иал, что может п^ивести к ухудшению те^мической п^очности, увеличению стоимости и массы пористой вставки.

Совершенствование конструкций теплообменных аппаратов. Анизотропия ПСМ сказывается и на гидравлическом соп^отивлении. Так, гид^авлическое соп^отивление п^и фильт^ации теплоносителя вдоль слоев сеток (то есть п^и межсеточной фильт^ации) меньше, чем п^и но^мальном к пове^хности сеток течении. Экспе^иментальные данные для сетки П60 с по^истостью 0,476 дают следующие отношения вязкостных и ине^ционных коэффициентов соп^отивления п^и но^мальной и межсеточной фильтрации охладителя: а ₁ /а ₂ =2,7; в ₁ /в 2 =2,4.

Это позволяет перейти от продольно-канального течения к продольно-поперечному течению из канала в канал, так называемой межканальной т^анспи^ации теплоносителя (МКТТ). Гид^авлическое соп^отивление т^акта и путь фильт^ации хладагента уменьшаются, а это делает т^акт с МКТТ (^ис.2) высокоэффективным. Однако его эффективность значительно снижается с увеличением п^одольного ^азме^а по^истого т^акта, так как теплоноситель наг^евается, двигаясь вдоль канала, что п^иводит к ^азличным ^ежимам теплообмена вдоль по^истой вставки, не^авноме^ному охлаждению неп^оницаемой поверхности, что в конечном итоге может привести к ее разрушению.

Рисунок 2 - Т^акт с межканальной т^анспи^ацией теплоносителя

^тобы избежать подобного, п^и значительной п^отяженности обог^еваемой пове^хности лучше пользоваться секционным по^истым т^актом охлаждения (СПТ) [17] (^ис.3). На ^ис.3 п^иведены следующие обозначения: L – длина секции, L 1 – длина по^истой вставки, h 1 – глубина п^оточки, h 2 – ши^ина п^оточки, δ – высота по^истого наполнителя, G – массовый ^асход охладителя.

Рисунок 3 - Секционный по^истый теплообменный т^акт

В данной конст^укции холодный теплоноситель контакти^ует с наг^етой по^истой мат^ицей не в начале т^акта, а по всей его длине че^ез п^оточки, что существенно повышает теплообмен и уменьшает гид^авлическое соп^отивление т^акта из-за уменьшения пути фильт^ации хладагента. Самым важным является тот факт, что в каждой секции ^еализуется одинаковый ^ежим теплообмена, и ^азница темпе^ату^ы неп^оницаемой пове^хности в начале секции и в ее конце незначительна. Это позволяет гово^ить о п^име^но одинаковой темпе^ату^е охлаждаемой пове^хности по длине т^акта и о возможности п^именения его на п^отяженных участках п^и малых зат^атах мощности. Длина секции и глубина п^оточки оп^еделяются в ходе оптимизации па^амет^ов [18-20] в каждой конк^етной ситуации.

Заключение. Таким об^азом, в данной статье ^ассмот^ены основные особенности о^ганизации теплообмена с помощью по^ошковых и сетчатых по^истых мате^иалов на п^име^ах ^азличных конст^укций. П^оанализи^ованы и обобщены ^азличные способы улучшения ха^акте^истик по^истых с^ед для наиболее ^ационального их п^именения в ^азличных конст^укциях теплообменных аппа^атов. Выделены лучшие конст^укто^ские ^ешения для теплообменников со значительной п^отяженностью пове^хности теплообмена. Подче^кнуто, что т^акт с МКТТ имеет меньшее гид^авлическое соп^отивление, но п^и этом имеет значительную ^азницу в темпе^ату^ах по длине охлаждаемой пове^хности. Указано, что этой п^облемы удается избежать п^и использовании т^акта СПТ. К^оме того, в т^акте СПТ ^еализуется п^име^но одинаковый темпе^ату^ный пе^епад как по длине секции, так и по длине всего т^акта охлаждения, кото^ый может быть неог^аниченно длинным. Знание этих особенностей позволит подоб^ать оптимальный ва^иант конст^укции теплообменного аппа^ата для каждого конк^етного случая.