НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 536.2

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

serg7573@pochta.ru

Введение

Одним из вариантов обеспечения энергетических потребностей различных космических аппаратов является применение замкнутой газотурбинной установки (ЗГТУ). ЗГТУ могут также найти применение в наземных условиях в качестве автономного источника электроэнергии малой мощности. Применение ГТУ открытого цикла в этом случае наталкивается на определенные трудности, связанные с низкими значениями коэффициентов полезного действия (КПД) компрессора и турбины. Это связано с малыми размерами колес турбомашин.

Ограничение на температуру газа перед турбиной ЗГТУ из-за отсутствия системы охлаждения диктует необходимость искать другие способы увеличения коэффициента полезного действия замкнутой газотурбинной установки. В частности, возможно применение регенератора – теплообменного аппарата рекуперативного типа, предназначенного для передачи тепла от выходящих горячих газов турбины к холодному воздуху от компрессора. Отметим, что в отличии от газотурбинной установки открытого цикла, где применения регенерации не всегда возможно, в ЗГТУ использование регенерации целесообразно всегда.

Для снижения массо-габаритных показателей регенератора предлагается использование высококомпатных поверхностей теплообмена. Они представляют собой пластинчато-ребристые поверхности теплообмена с шахматным расположением ребра [1-3].

1.    Постановка задачи

Наиболее полный и обстоятельный обзор по пластинчато-ребристым поверхностям был выполнен в работе [4]. Он выявил следующие проблемы в данной области.

1) Многие авторы, проводившие экспериментальные и численные исследования с применением собственных и коммерческих программных средств, получали противоречивые и неоднозначные результаты, что авторы обзора объясняют различной технологией изготовления поверхностей, условиями экспериментальных испытаний и т.д.

2) Полное отсутствие в открытой печати данных по исследованиям таких поверхностей на смесях инертных газов с аномально низкими числами Прандтля (Pr = 0,2...0,4), все эксперименты проводились на воздухе (Pr = 0,7) или на жидкостях (Pr > 1,0).

Целью данного экспериментального исследования является определение теплогидравлических характеристик поверхностей теплообмена c различными газами и смесями газов.

Таким образом, актуальность и новизна работы определяется тем, что необходимо иметь собственные пластинчато-ребристые поверхности теплообмена изготовленные по собственной отработанной технологии и иметь их характеристики. Также отметим, что по сравнению cданными в работе [1] ,в представленной работе расширен диапазон по числу Рейнольдса.

2.    Поверхность теплообмена

Общий вид поверхности теплообмена приведен на рис. 1. Всего предполагается испытать три пластинчато-ребристых поверхности (МВТУ №9, №10, №11) с шахматным расположением ребер и прямоугольными каналами между ними для получения характеристик теплоотдачи и трения. Фотография поверхности МВТУ №9 показана на рис. 2. Они относятся к классу пластинчато-ребристых поверхностей с плоскими ребрами, изготовленными из сплошной ленты.

Рисунок 1 - Фотография испытываемой модели (МВТУ №9)

Рисунок 2 - Общий вид пластинчато-ребристой поверхности теплообмена. l – длина ребра в направлении потока; b – высота поверхности; δ – толщина поверхности

Ребра в виде изогнутых полос смещены одно относительно другого приблизительно на 50 %, так что передняя кромка ребра расположена и середине канала, образованного двумя ребрами предшествующей полосы. Геометрические характеристики исследуемой поверхности теплообмена приведены в таблице 1.

Таблица 1

Геометрические характеристики поверхности теплообмена

3.    Методика эксперимента

Целью работы является экспериментальное получение характеристик поверхностей в виде

Nu = f(Re, Pr)       и        Eu = f(Re, Pr),

где Nu - число Нуссельта; Re - критерий Рейнольдса; Pr - число Прандтля; Eu - критерий Эйлера.

Теоретические основы нестационарного метода были заложены Нуссельтом, Хаузеном (1927) и Шуманом (1929), когда они решали задачу о распределении температуры в пористом теле в зависимости от координат и от времени, находящегося сначала при постоянной температуре, а затем в начальный момент времени происходит изменение температуры газа, поступающего в тело [5-7].

Шуман рассматривал задачу о нагревании холодного пористого тела, очень быстрого помещенного в струю горячего газа. Этот метод можно использовать для исследования теплообменных решеток, у которых значения коэффициент фронта достаточно близок к единице, т.е. для которых можно пренебречь продольной теплопроводностью.

Допущения:

1) теплопроводность стенки бесконечно велика по направлению, нормальному к потоку газа и рана нулю по направлению потока;

2) скорость и температура потока при входе в решетку - постоянны;

3) физические свойства газа и материала решетки постоянны;

4) средний коэффициент теплоотдачи постоянен;

5) в начальный момент времени происходит ступенчатое увеличение температуры газа при входе в решетку.

При изложенных выше допущениях Шуман, а затем еще несколько авторов получили решение, которое позволяет по изменению температуры газа за матрицей определить коэффициент теплоотдачи. Изложенный выше метод, соответствующим образом измененный для практического применения, был апробирован в работах [7-8].

4.    Экспериментальный стенд

Схема экспериментального стенда приведена на рис. 3.

Рисунок 3 - Схема стенда нестационарного теплообмена. 1 – нагреватель; 2 – корпус установки измерительных приборов; 3 - корпус установки исследуемой поверхности теплообмена; 4 – корпус установки измерительных приборов; 5- диффузор; 6 – электрокомпрессор; 7 – теплообменный аппарат отвода тепла; 8 – трубопровод; 9 – расходомерное устройство (стандартная диафрагма); 10 – трубопровод; 11 – конфузор

Циркуляция рабочей среды на испытательном стенде осуществляется при помощи компрессора 6. Для поддержания стабильности температуры в контуре стенда рабочее тело поступает вначале в теплообменник отвода тепла 7. Далее по его ходу расположено расходомерное устройство 9 (стандартная диафрагма), с помощью которого измеряется расход рабочего тела. За диафрагмой находится нагреватель 1. Нагревательный элемент выполнен из тонкой нихромовой проволоки ∅ 0,08 мм, благодаря чему инерционность нагревателя очень мала. Нагреватель так же выполняет роль успокоителя, чем обеспечивает равномерность потока в исследуемой модели.

За нагревателем расположена исследуемая модель (3). Модель окружена слоем пенопласта, препятствующего подводу теплоты извне, к поверхности модели.

Перед диафрагмой, перед нагревателем, перед и за испытываемой моделью, на самой модели установлены хромель-копелевые термопары для определения температуры стационарного состояния потока и для записи температуры воздуха на выходе из модели в нестационарном режиме.

Частота вращения компрессора, и изменение расхода газа осуществляется при помощи частотного преобразователя. Перепад давлений, необходимый для определения коэффициента сопротивления и расхода воздуха через модель, измеряется с помощью датчиков статического давления, расположенных непосредственно перед и за исследуемой моделью и диафрагмой. Для точного и надежного исследования процессов нестационарного теплообмена используется современный измерительный комплекс фирмы National Instruments в составе: платы NI M2455 с аналого-цифровым преобразователем разрядностью 16 бит и компьютером Pentium IV 2,2 ГГц.

5.Заключение

На рисунках 4 и 5 приведены результаты проведенных экспериментов в виде зависимостей Nu = f(Re), Eu = f(Re) для поверхности МВТУ №9 при течении воздуха. Пунктирными линиями на рисунках показаны зависимости известной теплообменной поверхности 104 [1]. Для поверхности МВТУ №9 характерны более низкие по сравнению с поверхностью 104 значения Nu и Eu при одинаковых числах Рейнольдса. Анализ полученных данных показывает, что по эффективности (Nu/Eu) в диапазоне числа Рейнольдса 500…900 поверхности сопоставимы, а при числе Рейнольдса ниже 500, поверхность МВТУ №9 имеет эффективность выше на 5-7 %. Отметим, что для замкнутых газотурбинных (тригенерационных) установок малой мощности характерны низкие давления в контуре, а следовательно и более низкие числа Рейнольдса в теплообменных аппаратах.

Рисунок 4 – Критериальная зависимость Eu = f(Re) при течении воздуха 1 – поверхность 104 [1], 2 – поверхность МВТУ №9

Рисунок 5 – Критериальная зависимость Nu = f(Re) при течении воздуха 1 – поверхность 104 [1], 2 – поверхность МВТУ №9

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК 16.516.11.6112).

5.    Список литературы

1.    Лондон А.Л., Кейс В.М. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967. – 224 с.

2.    Li-Zhi Zhang. Heat and mass transfer in plate-fin enthalpy exchangers with different plate and fin materials. Int. Journal of Heat and mass transfer, 52 (2009), pp. 2704–2713.

3.    Xing Luo, Wilfried Roetzel. The single-blow transient testing technique for plate-fin heat exchangers. Int. Journal of Heat and mass transfer, 44 (2001), pp. 3745–3753.

4.    Sheik Ismail L., Velraj R., Ranganayakulu C. Studies on pumping power in terms of pres-sure drop and heat transfer characteristics of compact plate-fin heat exchangers - A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(2010), pp. 478-485.

5.    Nusselt W. Die theorie des winderhitzers. Z. Ver. Dtsche. Ing. 71 (1927) pp. 85-91.

6.    Schumann T.E.W. Heat transfer: A liquid flowing through a porous prism. J. Franklin Inst. 208 (1929), pp. 405-416.

7.    Hausen H. Uber die theorie des warmeaustausches in regeneratoren. Z. Angew. Math. Mech. 9 (1929), pp. 173-200.

8.    Пуччи Р.Ф., Хоуард К-П., ПирсоллК.X. Однопоточныйнестационарныйметодисследованиякомпактныхтеплообменныхповерхностей // Трудыамериканскогообществаинженеров-механиков. Сер. А : Энергетическиемашиныиустановки. – М.: Мир, 1967. №1. с. 38.