Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Выбор рациональных интенсификаторов теплообмена в теплообменном оборудовании

# 12, декабрь 2016
DOI: 10.7463/1216.0852444
Файл статьи: SE-BMSTU...o056.pdf (1421.81Кб)
авторы: Бурцев С. А.1,2,*, Виноградов Ю. А.1, Киселёв Н. А.1,2, Стронгин М. М.1

УДК 536.24

1 МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

2 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Рассмотрены вопросы применимости различных типов интенсификаторов теплообмена в теплообменном оборудовании. Представлен обзор экспериментальных и численных работ, посвященных интенсификации на поверхностях покрытых лунками, поверхностях со штырьками и внутренним оребрением и приведены данные по теплогидравлическим характеристикам указанных поверхностей.
Для 4 различных целевых функций и 15 возможных вариантов интенсификации теплообмена получены зависимости критериев теплогидравлической эффективности, позволяющие оценить преимущества различных интенсификаторов теплообмена.
Приведенные уравнения показывают влияние теплогидравлических характеристик интенсификаторов теплообмена (величин относительных коэффициентов теплообмена и трения) на основные параметры кожухотрубного теплообменного аппарата: количество и длину труб, объем матрицы теплообменника, скорость теплоносителя в матрице теплообменника, расход теплоносителя, мощность на прокачку (потери давления) теплоносителя, количество передаваемой теплоты, а также средний логарифмический температурный напор.
Приведен пример сравнения двух перспективных интенсификаторов теплообмена в трубах и показана важность выбора необходимого критерия эффективности для поиска оптимальной геометрии теплообменного аппарата.
Выполнен анализ и показано, что несмотря на относительно малые величину интенсификации теплообмена, облуненные поверхности позволяют повысить эффективность теплообменного аппарата, т.к. значительное увеличение сопротивления для большинства остальных интенсификаторов теплообмена отрицательно сказывается на их теплогидравлической эффективности.
Например, при сравнении целевых функций уменьшения объема теплообменного аппарата, представленные данные свидетельствуют о возможности применения облуненных поверхностей в различных областях техники. Но при этом при определенных параметрах интенсифицирующей поверхности возможно снижение части параметров теплообменного аппарата.
Показано, что дальнейшее развитие работы должно быть направлено на поиски оптимальных поверхностей теплообмена и на уточнение критериев теплогидравлической эффективности. Необходим учет теплообмена на внешней стороне теплообменных труб, теплопроводности материала труб, а также образования загрязнений на теплообменных поверхностях.

Список литературы
1.Ligrani P.M., Oliveira M.M., Blaskovich T. Comparison of heat transfer augmentation techniques // AIAA J. 2003. Vol. 41. Iss. 3. Pp. 337 -- 362. DOI: 10.2514/2.1964
2.Ligrani P.M. Heat transfer augmentation technologies for internal cooling of turbine components of gas turbine engines // Intern. J. of Rotating Machinery. 2013. Pp.1 -- 32. DOI: 10.1155/2013/275653
3.Wen-Tao Ji, Jacobi A.M., Ya-Ling He, Wen-Quan Tao. Summary and evaluation on single-phase heat transfer enhancement techniques of liquid laminar and turbulent pipe flow // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 88. Pp. 735 -- 754. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.04.008
4.Webb R.L., Eckert E.R.G. Application of rough surfaces to heat exchanger design // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. 1972. Vol. 15. Iss. 9. Pp. 1647-1658. DOI: 10.1016/0017-9310(72)90095-6
5.Gee D.L., Webb R.L. Forced convection heat transfer in helically rib-roughened tubes // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. 1980. Vol. 23. Iss. 8. Pp. 1127-1136. DOI: 10.1016/0017-9310(80)90177-5
6.Han J. C., Park J. S. Developing heat transfer in rectangular channels with rib turbulators // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. 1988. Vol. 31. Iss. 1. Pp. 183 -- 195. DOI: 10.1016/0017-9310(88)90235-9
7.Han J. C., Zhang Y. M., Lee C. P. Augmented heat transfer in square channels with parallel, crossed, and V-shaped angled ribs // Transactions of the ASME. Journal of Heat Transfer. 1991. Vol. 113. Iss. 3. Pp. 590 -- 596. DOI: 10.1115/1.2910606
8.Han J. C., Huang J. J., Lee C. P. Augmented heat transfer in square channels with wedge-shaped and delta-shaped turbulence promoters // J. of Enhanced Heat Transfer. 1993. Vol. 1. Iss. 1. Pp. 37 -- 52. DOI: 10.1615/JEnhHeatTransf.v1.i1.40
9.Taslim M. E., Li T., Kercher D. M. Experimental heat transfer and friction in channels roughened with angled, V-shaped, and discrete ribs on two opposite walls // Transactions of the ASME. Journal of Turbomachinery. 1996. Vol. 118. Iss. 1. Pp. 20 -- 28. DOI: 10.1115/1.2836602
10.Taslim M. E., Wadsworth C. M. An experimental investigation of the rib surface-averaged heat transfer coefficient in a rib-roughened square passage // Transactions of the ASME. Journal of Turbomachinery. 1997. Vol. 119. Iss. 2. Pp. 381 -- 389. DOI: 10.1115/1.2841122
11.Taslim M. E., Lengkong A. 45 deg staggered rib heat transfer coefficient measurements in a square channel // Transactions of the ASME. JournalofTurbomachinery. 1998. Vol. 120. Iss. 3. Pp. 571 -- 580. DOI: 10.1115/1.2841755
12.Байбузенко И.Н., Седлов А.А., Иванов В.Л., Щеголев Н.Л. 77-30569/256283 Экспериментальное исследование характеристик теплообмена во внутренних каналах систем охлаждения турбомашин при использовании термохромных жидких кристаллов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 1. 8 c. Режим доступа:http://technomag.neicon.ru/doc/256283.html (дата обращения 02.10. 2016).
13.Егоров К.С., Щеголев Н.Л. Исследование характеристик высококомпактных пластинчато-ребристых поверхностей теплообмена со смещенным ребром // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон.журн. 2012. № 6. С. 351-362. DOI: 10.7463/0612.0431788
14.Mahmood G. I., Hill M. L., Nelson D. L., Ligrani P. M., Moon H.-K., Glezer B. Local heat transfer and flow structure on and above a dimpled surface in a channel // Transactions of the ASME. Journal of Turbomachinery. 2001.Vol. 123. Iss. 1. Pp. 115 -- 123. DOI: 10.1115/1.1333694
15.Mahmood G. I., Ligrani P. M. Heat transfer in a dimpled channel: Combined influences of aspect ratio, temperature ratio, Reynolds number, and flow Structure // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. 2002. Vol. 45. Iss. 10. Pp. 2011 -- 2020. DOI: 10.1016/S0017-9310(01)00314-3
16.Burgess N. K., Oliveira M. M., Ligrani P. M. Nusselt number behavior on deep dimpled surfaces within a channel // Transactions of the ASME. J. of Heat Transfer. 2003. Vol. 125. Iss. 1. Pp. 11-18. DOI: 10.1115/1.1527904
17.Sunden B., Xie G., Wang Q. Predictions of enhanced heat transfer of an internal blade tip-wall with hemispherical dimples or protrusions // Transactions of the ASME. J. of Turbomachinery. 2011. Vol. 133. Iss. 4. 9 p. DOI: 10.1115/1.4002963
18.Leontiev A.I., Dilevskaya E.V., Vinogradov Yu.A., Yermolaev I.K., Strongin M.M., Bednov S.M., Golikov A.N. Effect of vortex flows at surface with hollow-type relief on heat transfer coefficients and equilibrium temperature in supersonic flow // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 26. Iss. 5. Pp. 487-497. DOI: 10.1016/S0894-1777(02)00157-7
19.Kiselev N.A., Burtsev S.A., Strongin M.M., Vinogradov Yu.A. Influence of parameters of array of dimples on thermohydraulic efficiency // 8thIntern. Symp. on Turbulence, Heat and Mass Transfer (Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, Sept. 15-18, 2015): proceedings. N.Y.: Begell House Inc., 2015, pp. 753-756.
20.Isaev S.A., Kornev N.V., Hassel E., Leontiev A.I. Influence of the Reynolds number and the spherical dimple depth on turbulent heat transfer and hydraulic loss in a narrow channel // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. 2010. Vol. 53. Iss. 1-3. Pp. 178 -- 197. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.09.042
21.Исаев С.А., Леонтьев А.И., Корнев Н.В., Хассель Э., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена при ламинарном и турбулентном течении в узком канале с однорядными овальными лунками // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53. № 3. С. 390-402. DOI: 10.7868/S004036441503006022.Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Потенциал энергосбережения различных способов закрутки потока и дискретно шероховатых каналов (Обзор) // Известия РАН. Энергетика. 2010. № 1. С. 13-49.
23.Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов // Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45. № 6. С. 925-953.
24.Lan J., Xie Y., Zhang D. Flow and heat transfer in microchannels with dimples and protrusions // Transactions of the ASME. Journal of Heat Transfer. 2012. Vol. 134. Iss. 2. 9 p. DOI: 10.1115/1.4005096
25.Здитовец А.Г., Титов А.А. Влияние формы поверхности теплоизолированного стержня, омываемого сверхзвуковым потоком, на коэффициент восстановления температуры // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 2. С. 111-117.
26.Бурцев С.А. Анализ влияния различных факторов на значение коэффициента восстановления температуры на поверхности тел при обтекании потоком воздуха. Обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 11. C. 1-28. DOI: 10.7463/1104.0551021
27.Chyu M. K., Yu Y., Ding H., Downs J.P., Soechting F. O. Concavity enhanced heat transfer in an internal cooling passage // 42ndIntern. Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition (Orlando, FLA, USA, June 2-5 1997): Proceedings. N.Y.: ASME, 1997. Vol. 3. Pp. 1 -- 7. DOI: 10.115/97-GT-437
28.Moon S. W., Lau S. C. Turbulent heat transfer measurements on a wall with concave and cylindrical dimples in a square channel // ASME Turbo Expo 2002: Power for Land, Sea and Air (Amsterdam, Netherlands, June 3-6 2002): proceedings. N.Y.: ASME, 2002. Vol. 3. Pt. A and B. Pp. 459-467. DOI: 10.115/GT2002-30208
29.Borisov I., Khalatov A., Kobzar S., Glezer B. Comparison of thermo-hydraulic characteristics for two types of dimpled surfaces // ASME Turbo Expo 2004: Power for Land, Sea and Air (Vienna, Austria, June 14-17, 2004): proceedings. N.Y.: ASME, 2004. Vol. 3. Pp. 933-942. DOI: 10.1115/GT2004-54204
30.Jordan C.N., Wright L.M. Heat transfer enhancement in a rectangular (AR = 3:1) channel with V-shaped dimple // Transactions of the ASME. Journal of Turbomachinery. 2013. Vol. 135. Iss.1. 10 p. DOI: 10.1115/1.4006422
31.Нагога Г.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин: Учеб. пособие. М.: Изд-воМАИ, 1996. 100 с.
32.Бурцев С.А., Карпенко А.П., Леонтьев А.И. Метод распределенного получения сжиженного природного газа на газораспределительных станциях // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. № 4. С. 605-608. DOI: 10.7868/S0040364416030042
33.Бурцев С.А. Анализ путей повышения эффективности трубы Леонтьева // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016.№ 8. С. 19-28. DOI: 10.18698/0536-1044-2016-8-19-28
34.Киселёв Н. А. Отработка методики определения коэффициентов теплоотдачи и восстановления температуры на основе тепловой картины на поверхности пластин, обтекаемых потоком сжимаемого газа // Тепловые процессы в технике. 2013. № 7. С. 303-312.
35.Киселёв Н.А., Бурцев С.А., Стронгин М.М. Методика определения коэффициентов теплоотдачи поверхностей с регулярным рельефом // Метрология. 2015. № 3. С. 34 -- 45.
36.Leontiev A.I., Kiselev N.A., Burtsev S.A., Strongin M.M., Vinogradov Yu.A. Experimental investigation of heat transfer and drag on surfaces with spherical dimples // Experimental Thermal and Fluid Science. 2016. Vol. 79. Pp. 74 -- 84. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2016.06.024
37.Бурцев С.А., Киселёв Н.А., Леонтьев А.И. Особенности исследования теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. №. 6. С. 895-898. DOI: 10.7868/S0040364414060052
38.Бурцев С.А., Васильев В.К., Виноградов Ю.А., Киселёв Н.А., Титов А.А. Экспериментальное исследование характеристик поверхностей, покрытых регулярным рельефом // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 1. С. 263-290. DOI: 10.7463/0113.0532996
39.Бурцев С.А., Виноградов Ю.А., Киселёв Н.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик поверхностей с коридорным расположением лунок // Наука и образование. МГТУим. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 5. С. 348 -- 369. DOI: 10.7463/0515.0776160
40.Федотенков И.Д., Цынаева А.А. Исследование аэродинамики потока в канале с гантелеобразными лунками // Вестник СГАСУ. Градостроительствоиархитектура. 2016. № 1 (22). С. 15-20. DOI: 10.17673/Vestnik.2016.01.3
41.Chyu M.K., Hsing Y.C., Natarajan V. Convective heat transfer of cubic fin arrays in a narrow channel // Transactions of the ASME. Journal of Turbomachinery. 1998. Vol. 120. Iss. 2. Pp. 362-367. DOI: 10.1115/1.2841414
42.Ligrani P.M., Mahmood G.I. Variable property Nusselt numbers in a channel with pin fins // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2003. Vol. 17. No. 1. Pp. 103 -- 111. DOI: 10.2514/2.6740
43.Hwang J.-J., Lu C.-C. Lateral-flow effect on endwall heat transfer and pressure drop in a pin-fin trapezoidal duct of various pin shapes // ASME Turbo Expo 2000: Power for Land, Sea and Air (Munich, Germany, May 8-11, 2000): proceedings. N.Y.: ASME, 2000. Vol. 3. Pp. 1-9. DOI: 10.1115/2000-GT-0232
44.Siw S.C., Chyu M.K., Alvin M.A. Effects of pin detached space on heat transfer in a rib roughened channel // ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conf. and Exposition (Vancouver, Canada, June 6-10, 2011): proceedings. N.Y.: ASME, 2011. Vol. 5. Pt. A and B. Pp. 1483-1493. DOI: 10.1115/GT2011-46078
45.Cho H.H., Lee S.Y., Wu S.J. The combined effects of rib arrangements and discrete ribs on local heat/mass transfer in a square duct // ASME Turbo Expo 2001: Power for Land, Sea and Air (New Orleans, LA, USA, June 4-7, 2001): proceedings. N.Y.: ASME, 2001. Vol. 3. Pp. 1 -- 11. DOI: 10.1115/2001-GT-0175
46.Иванов В.Л., Леонтьев А.И., Манушин Э.Л., Осипов М.И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. М.: МГТУ им. Баумана, 2003. 591 с.
47.Bergles A.E., Bllumenkrantz A.R., Taborek J. Performance evaluation criteria for enhanced heat transfer surfaces // 5thIntern. Heat Transfer Conf. IHTC-5 (Tokyo, Japan, Sept. 3-7, 1974): proceedings. Tokyo: JSME, 1974. Vol. 2. Pp. 239-243.
48.Попов И.А., Махянов Х.М., Гуреев В.М. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена / Под общ. ред. Ю.М. Гортышова. Казань.: Центр инновационных технологий, 2009. 560 с.
49.Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассобмен и трение в турбулентном пограничном слое. 2-еизд. М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с.
50.Schlichting H. Boundary-layer theory. 7thed. N.Y.: McGraw-Hill, 1979. 817 p.
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2017 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)