Министерство образования и науки Российской Федерации Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Российский фонд фундаментальных исследований Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ) Международная молодежная научная конференция «XXIII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (школа молодых ученых)» ТОМ I МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ СБОРНИК ДОКЛАДОВ Казань 2017 УДК 629.7(082) ББК 39.5+39.6я43 Т85 Т85 XXIII Туполевские чтения (школа молодых ученых): Международная молодёжная научная конференция, 8–10 ноября 2017 года: Материалы конференции. Сборник докладов: в 4 т. – Казань: Изд-во Академии наук РТ, 2017. – Т. 1. – 1146 с.: ил. ISBN 978-5-9690-0393-4 (т. 1) ISBN 978-5-9690-0392-7 В сборнике представлены тексты докладов участников Международной молодёжной научной конференции «XXIII Туполевские чтения (школа молодых ученых)», посвященные актуальным вопросам и проблемам развития аэрокосмических технологий, машиностроения, энергетики, приборостроения, информационных, инфокоммуникационных, радиоэлектронных технологий, а также социально-экономические аспекты создания аэрокосмической техники. Конференция проводится на базе ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» в рамках гранта РФФИ № 17-38-10308 мол_г. Материалы докладов публикуются в авторской редакции. Ответственность за аутентичность и точность имен, названий и иных сведений, а также за соблюдение законов об интеллектуальной собственности несут авторы публикуемых материалов. УДК 629.7(082) ББК 39.5+39.6я43 ISBN 978-5-9690-0393-4 (т. 1) ISBN 978-5-9690-0392-7 Авторы докладов 2017 Изд-во АН РТ (оформление), 2017 МЕЖДУНАРОДНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «XXIII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ) УДК 526.35 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООТДАЧИ ДВУХРЯДНЫХ ПУЧКОВ ВОЗДУХООХЛАЖДАЕМЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ Сидорик Г.С. Научный руководитель: А.Б. Сухоцкий, к.т.н., доцент (Белорусский государственный технологический университет, г. Минск) В статье представлено исследование теплоотдачи при интенсифицированной свободной конвекции воздуха двухрядного пучка, состоящего из биметаллических труб со спирально накатными ребрами со следующими параметрами: наружный диаметр ребра d = 56 мм; высота ребра h = 15 мм, шаг ребра s = 2,5 мм, средняя толщина ребра Δ = 0,5 мм; диаметр ребра у основания d0 = 26 мм, коэффициент оребрения ϕ =21. Поперечный шаг труб в однорядном пучке составлял S1 = 58 мм, продольный шаг составлял S2 = 50 мм. Установка вытяжной шахты способствует увеличению теплоотдачи в 1,5 – 3 раза по сравнению со свободной конвекцией. В настоящее время применимость воздухоохлаждаемых теплообменников (ВОТ) в различных отраслях промышленности расширяется ввиду их экологичности и отсутствия потребности в охлаждающей воде. Областью применения данных теплообменников являются химическая и нефтехимическая промышленность, металлургия, компрессорные станции с трубопроводами, электростанции, системы охлаждения оборотной воды в установках для кондиционирования, пищевая промышленность и т. д. [1, 2]. Воздухоохлаждаемые теплообменники являются крупными потребителями электрической энергии, потому актуальной является задача снижения электропотребления. Одним из решений данной задачи является перевод их работы в течение некоторого периода времени года в режим, при котором отключаются все или часть вентиляторов охлаждающего воздуха, а отвод теплоты от охлаждаемого рабочего тела осуществляется свободной конвекцией. Однако теплоотдача оребренных трубных пучков в условиях свободной конвекции является недо961 961 ПОДСЕКЦИЯ 3.1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ И ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ статочно изученной. Это объясняется сложностью процессов теплообмена при свободной конвекции, особенно на ребристых поверхностях, где присутствует сопряженный теплообмен, и по этой причине становится невозможным применение теоретических методов описания и расчета в виду их громоздкости, неточности, сложности и в некоторых случаях неосуществимости [3]. К сожалению, область температур окружающего воздуха, при которых возможно применение ВОТ в условиях свободной конвекции, ограничена. Но при оснащении ВОТ дополнительными устройствами, позволяющими интенсифицировать свободную конвекцию, теплопроизводительность теплообменника может оставаться неизменной при более высоких температурах окружающего воздуха без потребления электроэнергии приводом вентилятора. Одним из таких устройств, не потребляющим энергию, является вытяжная шахта, установленная над ВОТ для усиления тяги воздуха. Для изучения влияния установки вытяжной шахты на теплоотдачу воздухоохлаждаемого теплообменника был исследован двухрядный шахматный пучок, состоящий из биметаллических ребристых труб, с равносторонней компоновкой труб с продольным шагом S2 = 50 мм и поперечным шагом S1 = 58 мм. В первом ряду пучкам установлено шесть труб, во втором − пять труб и по краям ряда разрезанные вдоль оси половинки труб. Геометрические размеры оребренной трубы следующие, мм: наружный диаметр оребрения d = 56; диаметр оребрения по основанию d0 = 26; высота, шаг, средняя толщина ребра соответственно h = 15; s = 2,5; Δ = 0,5; длина оребренной части трубы l = 300. Ребристая оболочка выполнена из алюминия с коэффициентом оребрения трубы φ = 21. Несущая гладкая труба наружного диаметра 25 мм и толщиной стенки 2 мм изготовлена из стали 10. Внутрь целых труб соосно вставлен стальной ТЭН диаметром dТЭН = 12,5 мм, мощностью 320 Вт. Между ТЭНом и стенкой засыпался кварцевый песок дисперсным составом 0,16−0,32 мм. Трубы устанавливались в трубных решетках, выполненных из фанерных досок толщиной 4 мм, а их торцы для снижения тепловых потерь были защищены фторопластовыми втулками. Одна из центральных обогреваемых труб в каждом ряду (калориметр) содержит средства измерения средней температуры для вычисления приведенного коэффициента теплоотдачи. 962 962 МЕЖДУНАРОДНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «XXIII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ) Для интенсификации теплоотдачи воздуха над экспериментальным пучком устанавливалась вытяжная шахта высотой 0,52; 1,16 и 2,12 м. Вытяжная шахта имеет снизу прямоугольное основание, равное поперечному сечению теплообменного пучка, которое плавно переходит в цилиндрическую трубу, диаметром 105 мм. Для снижения тепловых потерь шахта снаружи покрыта слоем минерального волокна толщиной 2−3 см. Опыты выполнялись в условиях полного теплового моделирования. В ходе эксперимента через трансформатор подавалась электрическая мощность на ТЭНы, оребренные трубки прогревались и нагревали воздух вокруг себя. Нагретый воздух под действием гравитационных сил перемещался вверх, заполняя вытяжную шахту и организовывая вертикальное движение потока теплого воздуха. При этом в пучке осуществлялась теплоотдача от оребренных труб в условиях смешанной конвекции воздуха, когда значения теплоотдачи за счет естественной и вынужденной конвекции воздуха сопоставимы. В ходе проведения опытов в каждой серии изменяли электрическую мощность, подаваемую на трубу-калориметр в диапазоне 8−160 Вт. Температура стенки у основания ребер изменялась в диапазоне 20−120°С, температура окружающего воздуха в камере 17−23°С. Время выхода установки на стационарный тепловой режим составляло 60 – 90 мин после каждого регулирования электрической мощности, подаваемой на пучок. Подробно схема стенда и методика экспериментального исследования представлена в [4]. Расчет коэффициента теплоотдачи осуществлялся по результатам проведенных измерений на калориметрической трубе. Средний приведенный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к полной наружной поверхности, Вт/(м2К) α= (t Qк ст − t)⋅ F , (1) где Qк – конвективный тепловой поток, Вт; tст− средняя температура поверхности стенки у основания ребер трубы (среднеарифметическая температура по показаниям термопар), ºС; t – определяющая тем963 963 ПОДСЕКЦИЯ 3.1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ И ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ пература воздуха на входе в пучок (ряд пучка), ºС; F = l·π·d0·φ −площадь теплоотдающей оребренной поверхности трубы, м2. Тепловой поток Qк, Вт, отведенный от трубы к воздуху конвекцией, рассчитывался Qк = W − Qл − Qп , (2) где W− электрическая мощность, подводимая к калориметру, Вт; Qл − тепловой поток, отведенный излучением от трубы к воздуху, Вт, вычисляется по рекомендациям [4]; Qп − тепловые потери через торцы труб и токоподводы, Вт. Тепловые потери через торцевые участки оребренных труб пучка вычислялись на основании предварительно проведенных опытов [5]. Результаты эксперимента обрабатывались и представлялись в безразмерных числах подобия Нуссельта и Грасгофа: (3) Nu = αк·d0 /λ, Gr = (g·d03·β·(tст – t))/ν2, где λ, ν − к о э ффи ц ие нт ыт е пл о пр о в о д но с т и, Вт /(м⸱К), ик ин е матической вязкости м2/с, воздуха; w – скорость потока воздуха в пучке, м/с, g – ускорение свободного падения, м/с2; β = 1/(t + 273)– коэффициент температурного расширения, К-1. При вычислении приведенного коэффициента теплоотдачи и числа Грасгофа для всего пучка и для первого ряда пучка в качестве определяющей температуры и для расчета коэффициентов теплопроводности и кинематической вязкости в формуле (3) принималась температура воздуха в камере t0. При вычислении приведенного коэффициента теплоотдачи и числа Грасгофа для второго ряда пучка в качестве определяющей температуры и для расчета коэффициентов теплопроводности и кинематической вязкости в формуле (3) принималась температура воздуха на входе во второй ряд tп = t0 + n ⋅ ( Qк + Qл ) c p ⋅ ρср ⋅ V , (4) где n – число обогреваемых труб в первом ряду пучка (n = 6), шт; cp – средняя изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); ρср – средняя плотность воздуха в первом ряду пучка, кг/м3; V – расход воздуха в 964 964 МЕЖДУНАРОДНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «XXIII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ) пучке, м3/с. Параметры воздуха cp и ρср вычислялись по средней температуре воздуха в первом ряду пучка tср = 0,5·(t0 + tп). Общая точность определения опытных значений чисел Нуссельта и Грасгофа во всем диапазоне тепловой нагрузки составляла 2−4%. На рисунке 1 представлены в логарифмических координатах зависимости чисел Нуссельта от чисел Грасгофа. Nu Nu 3 Первый ряд Hш= 0 м Hш= 0,52 м Hш= 1,16 м 2 Hш= 2,12 м 1 Второй ряд Hш= 0 м 1 Hш= 0,52 м Hш = 0 м Hш= 1,16 м Hш = 0,52 м Hш= 2,12 м Hш = 1,16 м Hш = 2,12 м 10000 100000 100000 Gr Gr а) б) Рис. 1. Теплоотдача двухрядного пучка а) порядная, б) общая Таким образом, установка вытяжной шахты способствует увеличению теплоотдачи в 1,5 – 3 раза по сравнению со свободной конвекцией. А также с увеличением высоты вытяжной шахты теплоотдача пучка также увеличивается. Работа выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (Т17РМ – 081). Список литературы 1. Аппарат воздушного охлаждения: пат. 9446 Респ. Беларусь, МПК 7 F 24 F 3/00, F 28 D 1/00 / Кунтыш В. Б., Сухоцкий А. Б., Миннигалеев А. Ш., Мулин В. П.; заявитель Учреждение образования «Белорусский Государственный Технологический Университет». № u 20130091, заявл. 31.01.2013; опубл. 30.08.2013 // 965 965 ПОДСЕКЦИЯ 3.1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ И ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ Афіцыйны бюл. / Нац. цэнтр інтэлектуал. уласнасці. 2013. №9. С. 70. 2. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник; / Под общ. ред. В. Б. Кунтыша, А. Н. Бессонного. СПб.: Недра, 1996. 512 с. 3. Новожилова А.В. Анализ методик определения теплоотдачи воздуха на оребренных поверхностях нагрева при свободной конвекции // Проблемы теплоэнергетики Европейского севера: сб. науч. тр. – Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2010. – С. 88–97. 4. Сухоцкий А. Б., Фарафонтов В. Н, Филатов С. О., Сидорик Г. С. Разработка стенда и исследование свободной конвекции одиночной оребренной трубы при различных углах наклона / Труды БГТУ. 2017. – С.169 – 174. 5. Самородов А. В. Совершенствование методики теплового расчета и проектирования аппаратов воздушного охлаждения с шахматными оребренными пучками: Автореф дис. канд. техн. наук 05.14.14. – Спб.: СПбГТУ. – 1999. С. 3−22. 6. Сухоцкий А.Б., Сидорик Г.С. Интенсификация свободной конвекции в однорядном оребренном пучке в аппаратах воздушного охлаждения // Труды БГТУ. Серия 2. Хим. технол., биотехн., геоэколог., №1 (193), 2017. С. 68–74. INTENSIFICATION OF THE THERMOLYSIS OF TWO-ROW BUNCHES OF AIR-COOLED HEAT EXCHANGERS Sidorik G. Supervisor: A. Sukhotskii, PhD (Engineering), Associate Professor (Belarusian State Technological University) The thermolysis research at the intensified free convection of air of the tworow bunch consisting of bimetallic pipes with spirally-rolling edges with the following parameters is presented in article: external diameter of an edge d = 56 mm; edge height h = 15 mm, edge step s = 2,5 mm, average thickness of an edge Δ = 0,5 mm; diameter of an edge at basis d0= 26 mm, coefficient of fins ϕ =21. The cross step of 966 966 МЕЖДУНАРОДНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «XXIII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ) pipes in a single-row bunch made S1 = 58 mm, the longitudinal step made S2 = 50 mm. Installation of the exhaust mine promotes increase in a thermolysis by 1,5 – 3 times in comparison with free convection. 967 967
