Исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений на распределение температуры в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Диомидов, Илья Георгиевич АВТОР
кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ
2013 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.14 КОД ВАК РФ
Диссертация по физике на тему «Исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений на распределение температуры в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике»
 
Автореферат диссертации на тему "Исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений на распределение температуры в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике"

На правах рукописи

Диомидов Илья Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ОТНОШЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В КОМПАКТНОМ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ь ДПР 2013

Новосибирск - 2013

005051438

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Чичиндаев Александр Васильевич

Официальные оппоненты: Алиферов Александр Иванович,

доктор технических наук, профессор, Новосибирский государственный технический университет, кафедра автоматизированных электротехнологических установок, заведующий кафедрой

Логинов Владимир Степанович,

доктор технических наук, профессор, Томский политехнический институт, кафедра Теоретической и промышленной теплотехники, профессор

Ведущая организация: Московский авиационный институт,

(Технический университет), г. Москва

Защита состоится «19» апреля 2013 года в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.02 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «18» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Чичиндаев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Постоянное повышение цен на энергоносители в последние годы выдвигает на передний план проблемы энергосбережения и повышения эффективности процессов преобразования энергии. Теплообменные аппараты являются неотъемлемой частью энергетических установок, как стационарных, так и тех, которые используются в изделиях транспортного машиностроения. Повышение эффективности теплообменных аппаратов приводит к тому, что они работают во все более напряженных условиях эксплуатации (более высокие температуры, большие удельные тепловые потоки, большие перепады температур), в результате этого возрастает неравномерность распределения температуры по поверхности теплообмена. Теплообменники, сконструированные по традиционным методикам (В.М. Кейс, A.JI. Лондон (1967), Г.И. Воронин (1978)), обладают параметрами, отличными от оптимальных, потому что интегральная методика расчета и проектирования не учитывает особенности локального распределения температур. В более поздних работах Э.К. Калинина, Г.А. Дрейцера, С.А. Ярхо, Г.И. Воронина, Е.В. Дубровского (1981), Г.А. Дрей-цера (1986, 2000), A.C. Мякочина (2006) основное внимание было направлено на разработку новых типов оребренных поверхностей с максимальной тепловой эффективностью и минимальными габаритами и массой. А. В. Чичиндаевым (2003, 2005) предложен подход к проектированию и оптимизации первичного теплообменника системы кондиционирования воздуха летательных аппаратов (далее ПТО СКВ JIA), основанный на управлении локальными значениями температуры теплообменной поверхности за счет изменения параметров ореб-рения и режимов течения теплоносителей и показана принципиальная возможность снижения термических напряжений в конструкции ПТО. Однако анализ влияния предложенного метода на другие характеристики ПТО (термодинамическая эффективность, габариты, гидравлическое сопротивление и т.д.) не был проведен, что затрудняет практическую реализацию предложенного подхода. Цель и задача исследования: теоретическое исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений по теплообменной поверхности на

теплофизические параметры процесса теплопередачи в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках, обоснование, разработка и проверка методов повышения ресурса теплообменника.

В соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи:

1. в области теоретического исследования:

- разработка методики расчета процесса теплопередачи в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике, учитывающей переменные термические сопротивления в горячем и холодном трактах;

- оценка необходимости учета влияния на процесс теплопередачи в первичном теплообменнике переноса тепла вдоль поверхности теплообмена за счет ее теплопроводности;

- исследование влияния переменных термических сопротивлений по поверхности теплообмена на распределение температур и термических напряжений по теплопередающей поверхности, тепловую эффективность теплообменника в области высоких температур горячего воздуха и больших перепадов температур между теплоносителями;

- разработка метода задания температуры теплообменной поверхности на этапе проектирования компактного пластинчато-ребристого теплообменника путем формирования переменного отношения термических сопротивлений по поверхности теплообмена в горячем и холодном трактах, позволяющего получать требуемые теплофизические параметры компактных теплообменников для заданных эксплуатационных режимов его работы;

2. в области прикладного исследования:

- разработка способов повышения ресурса первичного теплообменника СКВ ЛА за счет перераспределения температуры по теплообменной поверхности; Научная значимость и новизна работы состоит в том, что:

- обоснована, разработана и проверена методика расчета процесса локальной теплопередачи в компактном теплообменнике с учетом переменных термических сопротивлений по поверхности теплообмена в горячем и холодном трактах;

- обоснован и разработан метод задания температуры теплопередающей поверхности компактного теплообменника на этапе проектирования, основанный на использовании переменного отношения термических сопротивлений по поверхности теплообмена в горячем и холодном трактах позволяющий, получать требуемые теплофизические параметры компактных теплообменников для заданных эксплуатационных режимов работы и методика оценки его эффективности;

- предложены научно-обоснованные способы повышения ресурса перекрестно-точного компактного пластинчато-ребристого теплообменника, работающего в условиях малоциклового нагружения при большой разности температур теплоносителей на входе в теплообменник, основанные на использовании переменного отношения термических сопротивлений для управления распределением температуры по теплообменной поверхности, улучшающие эксплуатационные свойства теплообменника за счет снижения максимальной температуры тепло-обменной поверхности и перепада температур в конструкции теплообменника. На защиту выносятся:

1. Методика расчета компактного пластинчато-ребристого теплообменника, учитывающая переменное соотношение термических сопротивлений по поверхности теплообмена.

2. Результаты расчета распределения температуры по теплообменной поверхности компактного пластинчато-ребристого теплообменника (далее КПРТ) с переменным отношением термических сопротивлений, в широком диапазоне геометрических параметров оребрения.

3. Научно обоснованный метод повышения ресурса КПРТ, основанный на проведенном анализе влияния переменного термического сопротивления поверхности теплообмена на эквивалентные температурные напряжения конструкции.

4. Сформулированные в результате анализа данных численного моделирования процесса теплопередачи в ПТО СКВ ЛА рекомендации по использованию переменного отношения термических сопротивлений для задания распределения

температуры по теплообменной поверхности при конструировании теплообменника.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработана методика теплового и конструкторского расчета компактного пластинчато-ребристого теплообменника позволяющая проектировать теплообменники с переменным отношением термического сопротивления теплообменной поверхности, как со стороны горячего, так и со стороны холодного теплоносителя;

- усовершенствован пакет прикладных программ для обеспечения возможности проведения комплексных исследований тепловых характеристик теплообменника в широком диапазоне параметров термического сопротивления теплообменной поверхности путем численного моделирования;

- показана эффективность предложенного способа повышения ресурса первичного теплообменника, состоящего в управлении температурой теплообменной поверхности за счет переменного отношения термических сопротивлений в горячем и холодном трактах.

Достоверность полученных результатов определяется сопоставлением полученных расчетных данных с экспериментальными и расчетными данными, полученными ранее другими авторами и тщательным тестированием программных модулей.

Связь с научными программами. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 09-08-00321-а, а также фонда фундаментальных исследований НИР НГТУ в 2010 году.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный пакет прикладных программ по моделированию процесса теплопередачи в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике с переменным термическим сопротивлением по поверхности теплообмена внедрен в учебный процесс НГТУ для специальности «Системы жизнеобеспечения оборудования летательных аппаратов».

Личный вклад соискателя. Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его основном участии: постановка задачи, разработка метода и алгоритма решения, проведение расчетов, обработка и обобщение полученных результатов, формирование выводов и заключения.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе: 8-ая, 9-я и 10-я международные конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, МАИ, 2009, 2010, 2011); Всероссийская научно-техническая конференция «Наука, Промышленность, Оборона» (Новосибирск, НГТУ 2009, 2010, 2011, 2012).

По теме диссертации опубликовано. 13 печатных работ, в том числе 1 статья (в соавторстве) в ведущем научном журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК РФ; 1 статья в (в соавторстве) в рецензируемом научном журнале, 5 статей в сборниках научных трудов, 6 статей в сборниках трудов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников, включающего 73 наименований и приложений. Диссертация содержит 105 страниц основного текста, включая 61 рисунок, 5 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования теплопередачи в ПТО СКВ ЛА для выявления способов оптимизации конструкции, показывается научная новизна и практическая значимость результатов исследования. В первой главе приводится классификация конструкций теплообменников по процессу переноса, количеству и виду теплоносителей, механизму теплообмена, типу конструкции, организации потока, а также компактности поверхности теплообмена. Описываются основные особенности конструкции КПРТ (рис. 1). Рассматриваются особенности компоновки и работы ПТО СКВ ЛА (рис.2).

Рис. 1. Устройство пластинчато-ребристого теплообменника. Стрелками показаны направления течения теплоносителей.

Холодный воздух

В) г)

Рис. 2. Компоновка ПТО СКВ в пилоне двигателя ЛА и примеры усталостного разрушения ПТО: а), в) самолеты семейства Ту 154; б), г) самолеты семейства Boeing 737.

а>

Горяч ИИ воздух /

В результате анализа установлено, что периодический нагрев и охлаждение ПТО СКВ ЛА при каждом цикле «взлёт/посадка» приводят к усталостному разрушению конструкции. Известными способами повышения ресурса ПТО СКВ ЛА является использование конструкционных материалов с высокими жаропрочными свойствами и/или введение в конструкцию ПТО дополнительных

8

силовых элементов («обручей жесткости»). Однако такие способы не затрагивают саму причину разрушения конструкции и приводят к повышению стоимости и усложнению/утяжелению ПТО СКВ ЛА. Приводится обзор известных методов расчета и проектирования компактных пластинчато-ребристых теплообменников и формулируются цели и задачи исследования.

Во второй главе описывается используемая методика расчета процесса теплопередачи, и определения температуры теплообменной поверхности КПРТ. В общем виде, процесс теплопередачи при конвективном теплообмене через стенку описывается системой уравнений:

Р\

Рг

дц

х2

Э/2

дх~,

Э/,

Эу,

ЭI

Л1 Э/[

У 2

_2_

ду2

[Ч Э/2

у дУ 2 дУ2,

Л, Э/,

Л2 д ¡2

(1)

(2) (3)

СР\ ср2 ду2 '

где: 1 - горячий теплоноситель; 2 - холодный теплоноситель; н>х - скорость теплоносителя в направлении параллельном поверхности теплообмена; и-'у -скорость теплоносителя в направлении нормальном к поверхности теплообмена; р - плотность теплоносителя; г - энтальпия теплоносителя; X - теплопроводность теплоносителя; ср - теплоемкость теплоносителя. Физический смысл уравнений (1) и (2) заключается в том, что количество тепла, отданное теплоносителем (левая часть), равно количеству тепла, поступившему в процессе теплоотдачи на пластину (правая часть). Физический смысл уравнения (3) состоит в том, что тепловой поток от горячего теплоносителя к пластине равен тепловому потоку, поступающему от пластины к холодному теплоносителю.

Система уравнений (1)...(3) решалась численным методом. Для этого вместо бесконечно малых йх, с1у использовлись конечные разности Ах, Ау, (рис.3), не-

прерывные функции и их производные были заменены на сеточные (дискретные) уравнения.

Рис. 3. а) Двухмерная модель для расчета локальной теплопередачи: М - высота оребрения со стороны горячего теплоносителя; И2 высота оребрения со стороны холодного теплоносителя; Ах/Ах2-расчетный элемент; I - первый расчётный элемент, II - последний расчётный

элемент б) расчетный элемент. После преобразований уравнений (1)...(3) сеточные уравнения для расчета теплопередачи через элементарный участок теплообменной поверхности Д^Дхг (рис. 3) принимают следующий вид:

Ри,}™и.]сРи.Ати-1.] = а1и(р1и(Т1и-Тзи)Ах1Ах1 (4)

1ср21,> = а2и(р2и(Тзи-Т2и)Ах,Ах2 (5)

При решении системы уравнений (4), (5) были приняты следующие допущения: процесс теплопередачи является стационарным; считаются известными зависимости, описывающие теплоотдачу от пластины к потоку теплоносителя (Ии = /(Яе)У, теплофизические свойства теплоносителей являются функциями температуры и давления; не учитываются теплопроводность поверхности теплообме-ны в направлении движения теплоносителей; изменение интенсивности теплоотдачи на начальном участке пластины не учитывается. Расчет теплопередачи для каждого элемента проводился путем решения уравнения теплового баланса, выходные данные предыдущего элемента являются входными данными для следующего. Данная модель была модифицирована для того, чтобы иметь возможность изменять геометрические параметры оребрения в направлении движения холодного и горячего теплоносителя.

Рис. 4. Модернизированный алгоритм расчета теплопередачи в КПРТ. Первым рассчитывается участок «I-I», последним рассчитывался участок «IV-IV»

Алгоритм расчета преобразован следующим образом: исходная сетка 100x100 ячеек двухмерной модели по оси «х» и «у» была разбита на четыре равных участка. Таким образом, исходный теплообменник был разделен на 16 отдельных участков (с сеткой 25x25 ячеек), в каждом из которых задавались свои геометрические параметры оребрений и каждый из которых рассчитывался как само-

стоятельный «теплообменник» (рис. 4). Проверка достоверности модели проводится путем сравнения полученных результатов с известными расчетными и экспериментальными данными в результате установлено удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных. Проведена количественная оценка применимости допущения об отсутствии теплопроводности вдоль поверхности теплообмена для целей проектирования ПТО СКВ ЛА. Показано, что в существующих и перспективных вариантах теплообменника тепловой поток в продольном направлении не может превышать 4 % теплового потока между теплоносителями, поэтому допущение об отсутствии теплопроводности вдоль поверхности теплообмена является обоснованным. В третьей главе рассмотрены способы управления температурой теплообмен-ной поверхности за счет использования переменного отношения термических сопротивлений со стороны горячего и холодного теплоносителя. Термическое сопротивление теплообменной поверхности в стационарном режиме определяется уравнением:

1 1 8 —+-+—

а/, а2^2 Щ

Если термические сопротивления /?ь Т?2 в уравнении одинаковы, то температура стенки близка к средней между температурами горячего и холодного теплоносителей, если со стороны одного из теплоносителей термическое сопротивление больше, то температура стенки смещается в сторону теплоносителя, термическое сопротивление со стороны которого меньше, что верно как для теплообменника в целом, так и для каждого элементарного участка теплообменной поверхности Ах[Ах2. Для анализа влияния термического сопротивления на распределение температуры по теплообменной поверхности используется безразмерный параметр ИЯ:

Ш-К2- аА= Д (7)

Д, а2Р2 11е2 <р2 ке 9

Где: Кеь Яе2 - числа Рейнольдса, определяющие режимы течения теплоносителей; (¡>1 - коэффициенты оребрения теплообменной поверхности, отношение

12

К^К1+Я2+Кз=-—+—-+— (6)

полной площади теплообменной поверхности к площади разделительной пластины (стенки); - режимный фактор, учитывающий соотношение параметров течения теплоносителей; - геометрический фактор, учитывающий соотношение площадей оребрений. Физический смысл ЕЯ - во сколько раз термическое сопротивление со стороны холодного теплоносителя больше сопротивления со стороны горячего теплоносителя. Значения Яеь Яе2 и ць, можно задавать на начальной стадии проектирования, до определения коэффициентов теплоотдачи и площади теплообменной поверхности, что позволяет проектировать КПРТ с любым значением КН. В главе проводится анализ влияния геометрического и режимного Лф факторов на температуру теплообменной поверхности и гидравлическое сопротивление теплообменника ( рис. 5, 6). ос 360 ,----1

340 -----Т

320 ---ж--±--©-

О

зоо---£--О--

° °

280 ----А-©-"в--

260 ---©---

240 --О---

220 -I----

0.20 0,40 0,60 0,80 1,00 М

Я - ЕЦ=1;

О - изменение КЛ та счет геометрического фактора;

± - изменение КЯ 'за счет режимного фактора. Рис. 5. Зависимость максимальной температуры теплообменной поверхности от отношения

термических сопротивлений.

Установлено, что для управления распределением температуры по теплообменной поверхности предпочтительнее использовать геометрический фактор, по-

\

▲ А А А А |

А О о о

▲ А А С ) О

1 О г\ и

о

скольку его влияние на температуру проявляется сильнее, чем влияние режимного фактора и не сопровождается увеличением гидравлического сопротивления в тракте горячего теплоносителя. кПа 60

40

20

0

0,20 0,40 0.60 0.80 1,00 Ш

О - потери давления в горячем тракте при использовании геометрического фактора;

О - потери давления холодном тракте при использовании геометрического фактора; А - потери давления в горячем тракте при использовании режимного фактора; ♦ - потери давления в холодном тракте при использовании режимного фактора. Рис. 6. Зависимость гидравлического сопротивления матрицы теплообменника от отношения

термических сопротивлений.

В четвертой главе приводятся результаты исследования распределения температуры по теплообменной поверхности и теплонапряженного состояния конструкции ПТО СКВ ЛА при переменном соотношении термических сопротивлений. Изменение распределения температуры по теплообменной поверхности достигается за счет использования геометрического фактора 7?ф. Параметры оребрения подбирались таким образом, чтобы среднее значение параметра изменялось в пределах от 0.3 до 1.2. При этом значения параметра ЯЛ для отдельных участков теплообменной поверхности составляли от 0.15 до 1.55. В результате выполнен расчет 34 различных вариантов конструкций теплообменников при одинаковых условиях работы (расход, температура, давление и влаго-содержание теплоносителей на входе, максимальная температура горячего теп-

♦ ♦

♦ ♦

♦ А А А А Ао ♦( о А< 'о с*© >0 о о АО ♦О

Холодный воздух

100 0

Рис. 7. Пример расчета распределения температуры по теплообменной поверхности для КПРТ с переменным оребрением по горячему и холодному тракту.

°С 360 340 320 300 280 260 240 220

л 1

о

< л О Г « О о »

д ° д А • д •

д д ДА • * * • • •

• • •

0.40

0.60

0.80

1.00

1,20 ЯЯ

■ - постоянное ореоренне.

О - переменное ореоренне только по холодному тракту ; Д - переменное ореоренне только по горячему тракту", • - оба оребренпя переменные. Рис. 8. Зависимость максимальной температуры поверхности теплообмена от отношения термических сопротивлений для различных вариантов конструкции КПРТ.

15

Горячий

воздух

доносителя на выходе). Для каждого из вариантов определяется распределение температуры по теплообменной поверхности (рис.7).

°С

400

Для количественной оценки влияния переменного отношения термических сопротивлений на распределение температуры по теплообменной поверхности, полученные данные обобщаются в виде зависимости максимальной температуры теплообменной поверхности от (рис. 8). Показано, что одновременное использование переменного оребрения в горячем и холодном траках КПРТ приводит к выравниванию температуры и к существенному (более чем на 60 %) снижению максимальной температуры теплообменной поверхности по сравнению с исходным вариантом конструкции теплообменника с постоянным ореб-рением.

Е 1,00

0,75

0,50

0,25

0.00

0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Ш ш - постоянное оребренне;

О - переменное оребренне только по холодному тракту; Д - переменное оребренне только по горячему тракту; • - оба оребренпя переменные.

Рис. 9. Термодинамическая эффективность КПРТ с различными соотношениями термических сопротивлений.

Для оценки влияния использования переменного оребрения на массогабарит-ные характеристики КПРТ используется значение объема пакета оребренных пластин, как основного и наиболее массивного элемента конструкции теплообменника. Выявлено, что использование переменного оребрения не влияет существенно на массогабаритные характеристики теплообменника (объем пакета

! • Фт* Йп «1 1 о $

оребренных пластин изменяется не более чем на 4 % по сравнению с аналогичными теплообменниками с постоянным оребрением).

Для сравнения между собой тепловой эффективности различных вариантов конструкции теплообменника использовался показатель термодинамической эффективности:

Е= _ _(8)

(ССр)шп(ТГ-ТГ)

Очевидно (рис. 9), что использование переменного оребрения не оказывает существенного негативного влияния на термодинамическую эффективность КПРТ. В главе проводится оценка влияния перераспределения температуры по поверхности теплообмена на теплонапряженное состояние конструкции и ресурс теплообменника, для чего на основе полученного распределения температуры теплообменной поверхности определяются максимальные эквивалентные термические напряжения конструкции путем численного моделирования методом конечных объемов с помощью программного комплекса STAR ССМ+ компании CD-Adapco. Расчеты выпонены для шести теплообменников с одинаковыми размерами теплообменной поверхности (пластины) 157x166 мм. Один теплообменник с постоянным оребрением RR= 1 и 5 теплообменников с переменным обебрением (среднее значение RR от 0.71 до 1.0). В качестве конструкционного материала была выбирается сталь 12Х18Н10Т, которая применяется для изготовления изделия ВВР 5307 AT, используемого в качестве ПТО СКВ самолета Ту-154. Согласно полученным данным, использование режимного фактора для уменьшения максимальной температуры теплообменной поверхности позволяет снизить эквивалентные термические напряжения на 37 %. Оценка ресурса ПТО СКВ JIA проводится на основе определения максимального числа циклов нагружения по методике расчета на прочность при малоцикловых нагрузках по ГОСТ 52857-6. Один полет соответствует одному циклу («запуск двигателя, взлет» = «нагрев», «выключение двигателя, стоянка» = «охлаждение»). Средняя продолжительность полета принимается 2.65 часа. В итоге определен ресурс различных вариантов конструкций ПТО СКВ JIA спроектиро-

ванных с использованием переменного оребрения для обеспечения заданного распределения температуры по теплообменной поверхности (рис. 10). 7 000

6 000

5 000

и

а

" 4 000

О)

4 3 000 2 000 1 000

200 250 300 350 °С

■ - теплообменник с постоянным оребрением ДД=1:

О - теплообменники с переменным оребрением по горячему II холодному тракту.

Рис. 10. Зависимость ресурса ПТО СКВ ЛА от максимальной температуры теплообменной

поверхности.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что применение переменного оребрения позволяет увеличить ресурс до 4 раз по сравнению с теплообменниками с постоянным оребрением.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе: 1. Обоснован, развит и проверен метод расчета процесса локальной теплопередачи в компактном перекрестно-точном теплообменнике, учитывающий переменные термические сопротивления по поверхности теплообмена в горячем и холодном трактах. Подтверждена справедливость допущения об отсутствии продольной теплопроводности для расчетов ПТО СКВ ЛА (тепловой поток вдоль теплообменной поверхности не превышает 4 % от теплового потока между теплоносителями). Проведена проверка достоверности методики путем сравнения с известными экспериментальными и расчетными данными. Установлено, что изменение термических сопротивлений по длине горячего или холодного тракта позволяет существенно (боле чем на 100 %) снизить перепад

8

о

О

о

температур вдоль теплообменной поверхности. Изменение термических сопротивлений одновременно по длине горячего и холодного тракта приводит к снижению максимального значения температуры теплообменной поверхности до 60 % и снижению перепада температур по теплообменной поверхности до 200 %.

2. Обоснован, разработан и проверен метод управления температурой тепло-обменной поверхности компактного теплообменника. Предложено решение задачи управления температурой теплообменной поверхности путем создания конструкции компактного теплообменника с переменным отношением термических сопротивлений в горячем и холодном трактах за счет изменения геометрических параметров оребрения по длине каналов для получения требуемого распределения температуры. При этом эффективность метода оценивается путем сравнения расчетных распределений температур теплообменной поверхности с требуемыми значениями из эксплуатационных особенностей или из дополнительных ограничений (термические напряжения). Выполнен комплекс исследований и установлены основные закономерности влияния отношения термических сопротивлений на теплофизические параметры и эксплуатационные свойства компактных теплообменников.

3. Предложены и обоснованы варианты реализации конструкции одноходового компактного первичного теплообменника, позволяющие многократно повысить его ресурс. Показано, что в случае уменьшения отношения термических сопротивлений одновременно по горячему и холодному тракту в диапазоне значений

0.35.....1.3 за счет изменения геометрических параметров оребрения можно

существенно (в 2...4 раза) уменьшить неравномерность распределения температуры по теплообменной поверхности в продольном направлении, а также понизить максимальную температуру теплообменной поверхности до 60 % по сравнению с традиционными методами конструирования первичных теплообменников при сохранении других эксплуатационных характеристик теплообменника неизменными. Показано, что это позволяет улучшить эксплуатационные свойства работы материала теплопередающей поверхности и увеличить ре-

сурс ПТО СКВ JIA до 400 % по сравнению с исходным вариантом конструкции, при этом установлено, что использование переменного оребрения не сказывается существенно на термодинамической эффективности и размерах ПТО СКВ ЛА.

4. На основе предложенного подхода разработаны алгоритм и методика расчета для пакета прикладных программ для проектирования компактных теплообменников и оптимизации их параметров. Результаты исследований использовались при разработке перспективных образцов компактных теплообменников, в частности для системы кондиционирования воздуха нового поколения, примененной на самолете Ту-204. Разработанный методический подход и пакет программ и внедрен в учебный процесс НГТУ.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

Статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных БАК

1. Чичиндаев A.B. Влияние переменного отношения термических сопротивлений на распределение температур в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике / А. В. Чичиндаев, И. Г. Диомидов // Научный вестник НГТУ. - 2010. - № 4. - С. 197-201.

Публикации в журналах и сборниках трудов

2. Чичиндаев А. В. Оптимизация параметров первичного теплообменника авиационной СКВ / А. В. Чичиндаев, И. Г. Диомидов // Авиакосмическое приборостроение. - 2009. - № 4. - С. 41-46.

3. Чичиндаев А. В. Оптимизация эксплуатационных параметров компактного теплообменника при наличии температурных напряжений / А. В. Чичиндаев, И. Г. Диомидов // Энергетика и теплотехника: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В. Е. Накорякова. - Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2008. - Вып. 12. - С. 318329.

4. Диомидов И. Г. Оценка влияния продольной теплопроводности стенки на процесс теплопередачи в компактном теплообменнике / И. Г. Диомидов, А. В.

Чичиндаев // Энергетика и теплотехника: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В. Е. Накорякова. - Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2009. - Вып. 14. - С. 172-178.

5. Диомидов И. Г. Исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений на поля температур в первичном теплообменнике / И. Г. Диомидов, А. В. Чичиндаев // Энергетика и теплотехника: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В. Е. Накорякова. - Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2011. - Вып. 16. - С 213-218.

6. Диомидов И. Г. Особенности влияния переменного отношения термических сопротивлений на температурные напряжения в первичном теплообменнике / И. Г. Диомидов, А. В. Чичиндаев // Энергетика и теплотехника: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В. Е. Накорякова. - Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2012. -Вып. 17.-С. 201-207.

7. Диомидов И. Г. Анализ эффективности применения метода переменного отношения термических сопротивлений в первичном теплообменник / И. Г. Диомидов, А. В. Чичиндаев // Энергетика и теплотехника: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В. Е. Накорякова. - Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2012. - Вып. 17. - С. 174-190.

Материалы международных и всероссийских научных конференций

8. Чичиндаев A.B. Особенности моделирования и исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений на процесс теплопередачи в первичном теплообменнике / А. В. Чичиндаев, И. Г. Диомидов // Тр. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. - С. - 625-627.

9. Диомидов И. Г. Исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений на процесс теплопередачи в первичном теплообменнике / И. Г. Диомидов // Тр. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона.». - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 184-188.

10. Диомидов И. Г. Влияние процесса теплопередачи на термические напряжения в первичном теплообменнике системы кондиционирования воздуха / И. Г. Диомидов, А. В. Чичиндаев // Матер. Всероссийской научно-технической кон-

ференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. - С. - 104-107.

11. Диомидов И. Г. Влияние продольной теплопроводности стенки на процесс теплопередачи в компактном теплообменнике / И. Г. Диомидов // Матер. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. - С. - 181-183.

12. Диомидов И. Г. Особенности теплопередачи в компактном теплообменнике при изменении термических сопротивлений в горячем и холодном трактах / И. Г. Диомидов, А. В. Чичиндаев // Тр. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона.». - Новосибирск: Изд-во НГТУ,

2011.-С. 189-191.

13. Диомидов И. Г. Влияние переменного отношения термических сопротивлений на температурные напряжения в первичном теплообменнике / И. Г. Диомидов, А. В. Чичиндаев // Труды XIII всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона.». - Новосибирск: Изд-во НГТУ,

2012.-С. 201-205.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел./факс (383) 346-08-57 формат 60 X 84/16 объем 1,5 п.л. тираж 100 экз. Заказ №453 подписано в печать 14.03.13 г.

 
Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Диомидов, Илья Георгиевич, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

0420135^154

Диомидов Илья Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ОТНОШЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В КОМПАКТНОМ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТОМ

ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Специальность: 01.04 Л 4 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Чичиндаев А.В.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ................................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 9

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, РАБОТЫ, И ПРОЕКТИРОВАНИЯ КПРТ (СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА)........................................................................... 15

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ..................................... 15

1.2. ОСОБЕННОСТИ КОМПАКТНЫХ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ (КПРТ)........................ 24

1.3. СПЕЦИФИКА ПЕРВИЧНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (ПТО СКВ ЛА)...................... 28

1.4. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПТО

СКВ ЛА. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА............... 35

1.5. ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........... 42

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ............ 45

2.1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ............................................................. 45

2.2. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ................................................... 52

2.3. ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ.................................... 58

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНЙ СО СТОРОНЫ ГОРЯЧЕГО и холодного ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ТЕМПЕРАТУРУ ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ.................................................................... 61

3.1. УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРОЙ КОНСТРУКЦИИ КПРТ ЗА СЧЕТ ПЕРЕМЕННОГО ОТНОШЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ......................................................... 61

3.2. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНОГО ФАКТОРА............................. 65

3.3. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ФАКТОРА.................. 68

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ПО ПОВЕХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА СООТНОШЕНИЯ 73

ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ НА ПАРАМЕТРЫ КПРТ

4.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ФАКТОРА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПЕРЕМЕНОГО ПО ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА СООТНОШЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ......................................................... 73

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ КПРТ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ СООТНОШЕНИИ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ......................................................... 75

4.3. ВЛИЯНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ТЕПЛООБМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ КПРТ 84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 96

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................... 98

ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................... 106

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИССЛЕДОВАННЫХ КОМПАКТНЫХ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ТЕПООБМЕННИКОВ.................... 107

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР И ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КОМПАКТНЫХ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ТЕПООБМЕННИКАХ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ ТЕРМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ... 110

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СПРАВКИ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ......................... 123

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Латинские

ср - удельная теплоёмкость, Дж/(кг-°С)

с1 - влагосодержание, кг/кг с.в.

¿/э - эквивалентный диаметр, м

Е - модуль упругости Юнга, Па

- поверхность, площадь поверхности теплообмена, м

f - коэффициент трения

С - массовый расход, кг/с;

0 - массовая скорость, кг/(м -с); ¡1, Н - высота, м

1 - удельная энтальпия, Дж/кг к, К - коэффициент теплопередачи /, Ь - характерный размер, длина, м

р, Р - давление

- тепловой поток, Вт

q — удельная плотность теплового потока, Вт/м

- термическое сопротивление г, Я - радиус, м

гт - гидравлический радиус, гт = <Лэ/4

$ - площадь живого сечения

^ Т - температура, °С, °К

/р - равновесная температура, °С

V - скорость, м/с

&ср ~ водяной эквивалент, Вт/°С

АТ\п - среднелогарифмический температурный напор

Т^(р=ф1/ф2 - геометрический фактор ^ие=Ке1/Ке2 - режимный фактор

ЛЛ =ЛКе - соотношение термических сопротивлений Греческие

а - коэффициент линейного расширения, м/К

8 - предельная относительная упругая деформация

\|/ - поправочный коэффициент схемы движения теплоносителя

СУ - коэффициент поверхностного натяжения

8 -кпд

- КПД пенно-вихревого аппарата Г|0 - эффективность полной поверхности теплообмена

атерм - термическое напряжение

суэкв - эквивалентное термическое напряжение

[су] - допускаемые напряжения

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К)

Р - коэффициент компактности, плотность теплообменной

поверхности, удельная площадь поверхности теплообмена

5 - толщина

£ - коэффициент потерь на трение

X - коэффициент теплопроводности

ц - динамическая вязкость

V - кинематическая вязкость

•5

р - плотность, кг/м

Индексы:

1, г, h - горячий

2, х, с - холодный

3, ст -стенка

In - среднелогарифмический

Е, сум - суммарное значение

б, м - большое и малое значение

в - воздух

вх, вых - входное, выходное сечения

шах - максимальное значение

min - минимальное значение

пл - пластина

р - ребро, оребрение; равновесие

расч - расчётное

ср - средний

экв - эквивалентное

Числа подобия

NTU=kF/Wmin - число единиц переноса теплообмена

Re= Vdjv - число Рейнольдса Re

Ре= Fi4/a=RePr - число Пекле Ре

Nu = Qjdfk - число Нуссельта Nu

Рг = ул/сх ~~ число Прандтля Рг

Аббревиатуры

ВВД - воздух высокого давления

ВВР - воздухо-воздушный радиатор

ВВТ - воздухо-воздушный теплообменник

ВИТ - воздушно-испарительный теплообменник

КПД - коэффициент полезного действия

КПРТ - компактный пластинчато-ребристый теплообменник

ЛА - летательный аппарат

МАИ - Московский авиационный институт

НГТУ - Новосибирский государственный технический университет

НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа

НПО - научно-производственное объединение

ПОС — противообледенительная система

ПТО - первичный теплообменник

СКВ - система кондиционирования воздуха

ТА - теплообменный аппарат

ТО - теплообменник

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ВВЕДЕНИЕ

Постоянное повышение цен на энергоносители в последние годы выдвигает на передний план проблемы энергосбережения и повышения эффективности процессов преобразования энергии. Теплообменные аппараты являются неотъемлемой частью энергетических установок, как стационарных, так и тех, которые используются в изделиях транспортного машиностроения. Повышение эффективности теплообменных аппаратов приводит к тому, что они работают во все более напряженных условиях эксплуатации (более высокие температуры, большие удельные тепловые потоки, большие перепады температур), в результате этого возрастает неравномерность распределения температуры по поверхности теплообмена. Теплообменники, сконструированные по традиционным методикам (В.М. Кейс, A.JI. Лондон (1967), Г.И. Воронин (1978)), обладают параметрами, отличными от оптимальных, потому что интегральная методика расчета и проектирования не учитывает особенности локального распределения температур. В более поздних работах Э.К. Калинина, Г.А. Дрейцера, С.А. Ярхо, Г.И. Воронина, Е.В. Дубровского (1981), Г.А. Дрейцера (1986, 2000), A.C. Мякочина (2006) основное внимание было направлено на разработку новых типов оребренных поверхностей с максимальной тепловой эффективностью и минимальными габаритами и массой. А. В. Чичиндаевым (2003, 2005) предложен подход к проектированию и оптимизации первичного теплообменника системы кондиционирования воздуха летательных аппаратов (далее ПТО СКВ ЛА), основанный на управлении локальными значениями температуры теплообменной поверхности за счет изменения параметров оребрения и режимов течения теплоносителей и показана принципиальная возможность снижения термических напряжений в конструкции ПТО. Однако анализ влияния предложенного метода на другие характеристики ПТО (термодинамическая эффективность, габариты, гидравлическое сопротивление и т.д.) не был проведен, что затрудняет практическую реализацию предложенного подхода.

Традиционные пути повышения прочности и надежности конструкции компактного пластинчато-ребристого теплообменника, который используется в качестве первичного в авиационных системах кондиционирования воздуха, связаны с применением более прочных материалов (высоколегированная сталь) или с использованием дополнительных конструктивных элементов, что приводит к существенному увеличению стоимости и/или массы агрегата. В работе предложен метод расчета компактных пластинчато-ребристых теплообменников, позволяющий контролировать распределение температуры по поверхности теплообмена, а значит, и управлять эквивалентными термическими напряжениями, возникающими в конструкции теплообменника в процессе проектирования, дает возможность создавать более долговечные конструкции без применения дорогостоящих конструкционных материалов или введения в конструкцию дополнительных элементов, для повышения ее прочности.

Предложенный метод повышения ресурса КПРТ может быть использован не только при проектировании изделий авиационной техники, транспортного машиностроения и энергетики (рекуператоры ГТД) но и при создании теплообменных агрегатов для газовой (охладители на газоперекачивающих станциях), химической и криогенной промышленности (установки газоразделения), где пластинчато-ребристые теплообменники в последние годы находят все более широкое применение.

Цель и задача исследования: Теоретическое исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений по теплообменной поверхности на теплофизические параметры процесса теплопередачи в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках, обоснование, разработка и проверка методов повышения ресурса теплообменника. В соответствии с общей целью были поставлены и решены следующие задачи:

1. в области теоретического исследования:

- разработка методики расчета процесса теплопередачи в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике, учитывающей переменные термические сопротивления в горячем и холодном трактах;

- оценка необходимости учета влияния на процесс теплопередачи в первичном теплообменнике переноса тепла вдоль поверхности теплообмена за счет ее теплопроводности;

- исследование влияния переменных термических сопротивлений по поверхности теплообмена на распределение температур и термических напряжений по теплопередающей поверхности, тепловую эффективность теплообменника в области высоких температур горячего воздуха и больших перепадов температур между теплоносителями;

- разработка метода задания температуры теплообменной поверхности на этапе проектирования компактного пластинчато-ребристого теплообменника путем формирования переменного отношения термических сопротивлений по поверхности теплообмена в горячем и холодном трактах,- позволяющего получать требуемые теплофизические параметры компактных теплообменников для заданных эксплуатационных режимов его работы;

2. в области прикладного исследования:

- разработка способов повышения ресурса первичного теплообменника СКВ ЛА за счет перераспределения температуры по теплообменной поверхности;

Научная значимость и новизна работы состоит в том, что:

- обоснована, разработана и проверена методика расчета процесса локальной теплопередачи в компактном теплообменнике с учетом переменных термических сопротивлений по поверхности теплообмена в горячем и холодном трактах;

- обоснован и разработан метод задания температуры теплопередающей поверхности компактного теплообменника на этапе проектирования, основанный на использовании переменного отношения термических сопротивлений по поверхности теплообмена в горячем и холодном трактах позволяющий,

получать требуемые теплофизические параметры компактных теплообменников для заданных эксплуатационных режимов работы и методика оценки его эффективности;

- предложены научно-обоснованные способы повышения ресурса ПТО СКВ ЛА, работающего в условиях малоциклового нагружения при большой разности температур теплоносителей на входе в теплообменник, основанные на использовании переменного отношения термических сопротивлений для управления распределением температуры по теплообменной поверхности, улучшающие эксплуатационные свойства теплообменника за счет снижения максимальной температуры теплообменной поверхности и перепада температур в конструкции ПТО СКВ ЛА. На защиту выносятся:

1. Методика расчета компактного пластинчато-ребристого теплообменника, учитывающая переменное соотношение термических сопротивлений по поверхности теплообмена.

2. Результаты расчета распределения температуры по теплообменной поверхности компактного пластинчато-ребристого теплообменника с переменным отношением термических сопротивлений, в широком диапазоне геометрических параметров оребрения.

3. Научно обоснованный метод повышения ресурса конструкции компактного пластинчато-ребристого теплообменника, основанный на проведенном анализе влияния переменного термического сопротивления поверхности теплообмена на эквивалентные температурные напряжения конструкции.

4. Сформулированные в результате анализа данных численного моделирования процесса теплопередачи в ПТО СКВ ЛА рекомендации по использованию переменного отношения термических сопротивлений для задания распределения температуры по теплообменной поверхности при конструировании теплообменника.

Практическая ценность работы_заключается в том, что:

- разработана методика теплового и конструкторского расчета компактного пластинчато-ребристого теплообменника позволяющая проектировать теплообменники с переменным отношением термического сопротивления теплообменной поверхности, как со стороны горячего, так и со стороны холодного теплоносителя;

- усовершенствован пакет прикладных программ для обеспечения возможности проведения комплексных исследований тепловых характеристик теплообменника в широком диапазоне параметров термического сопротивления теплообменной поверхности путем численного моделирования;

- показана эффективность предложенного способа повышения ресурса первичного теплообменника, состоящего в управлении температурой теплообменной поверхности за счет переменного отношения термических сопротивлений в горячем и холодном трактах.

-Достоверность-полученных-результатов-определяется

сопоставлением полученных расчетных данных с экспериментальными и расчетными данными, полученными ранее другими авторами и тщательным тестированием программных модулей.

Связь с научными программами. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 09-08-00321-а, а также фонда фундаментальных исследований НИР НГТУ в 2010 году.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный пакет прикладных программ по моделированию процесса теплопередачи в компактном пластинчато-ребристом теплообменнике с переменным термическим сопротивлением по поверхности теплообмена внедрен в учебный процесс НГТУ для специальности «Системы жизнеобеспечения оборудования летательных аппаратов».

Личный вклад соискателя. Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его основном участии: постановка задачи,

разработка метода и алгоритма решения, проведение расчетов, обработка и обобщение полученных результатов, формирование выводов и заключения.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе: 8-ая, 9-я и 10-я международные конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, МАИ, 2009, 2010, 2011); Всероссийская научно-техническая конференция «Наука, Промышленность, Оборона» (Новосибирск, НГТУ 2009, 2010, 2011,2012);

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 1 статья (в соавторстве) в ведущем научном журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК РФ; 1 статья в (в соавторстве) в рецензированном научном журнале, 5 статей в сборниках научных трудов, 6 статей в сборниках трудов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников, включающего 73 наименования и приложений. Диссертация содержит 105 страниц основного текста, включая 61 рисунок, 5 таблиц.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, РАБОТЫ, РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ КПРТ (СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА)

1Л. НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Теплообменник - это устройство, используемое для переноса тепловой энергии (энтальпии) между двумя или более теплоносителями, в качестве которых могут выступать жидкости, газы или многофазные �