Двухконтурный рекуперативный теплообменный аппарат с межканальным движением теплоносителя в обоих контурах

Язык труда и переводы:
УДК:
532.5: 536.24
Дата публикации:
21 декабря 2021, 14:15
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Пелевин Федор Викторович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрен двухконтурный рекуперативный теплообменный аппарат на основе принципа межканального движения теплоносителя сквозь пористый металлический сетчатый материал. Схема межканального движения теплоносителя и металлический сетчатый материал, изготовленный диффузионно-вакуумной сваркой тканых металлических сеток, являются основой для создания компактных высокоэффективных рекуперативных теплообменных аппаратов летательных аппаратов.
Ключевые слова:
межканальное движение теплоносителя, металлический сетчатый материал, рекуперативный теплообменный аппарат, эффективность теплообмена
Основной текст труда

Перед разработчиками рекуперативных теплообменных аппаратов летательных аппаратов постоянно стоит задача уменьшения массы и габаритов изделия.

Один из эффективных методов интенсификации теплообмена заключается в использовании металлических сетчатых материалов в теплообменных устройствах [1]. Известно, что для металлического сетчатого материала (МСМ) характерны самые высокие значения объемной поверхности теплообмена и чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между высокотеплопроводной проницаемой пористой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем. Теплота отводится от охлаждаемой стенки не за счет конвективного теплообмена как в оребренном тракте, а теплопроводностью по высокотеплопроводному металлическому каркасу пористого материала и далее за счет высокой объемной теплоотдачи в порах передается теплоносителю. Чем выше теплопроводность пористого металлического материала, тем большие объемы пористого материала и теплоносителя будет участвовать в теплообмене.

При двухконтурном рекуперативном теплообменном аппарате (РТА) с межканальным движением теплоносителя (МКДТ) наблюдается максимально возможная теплопередача от горячего к холодному теплоносителю, так как коэффициенты теплоотдачи в обоих контурах α1, α2 максимально большие.

Переход от продольно-канального движения теплоносителя к межканальному движению теплоносителя в двух соосных сопряженных пористых трактах позволяет выравнить коэффициент теплопередачи по длине РТА.

Принцип межканального движения теплоносителя в сочетании с межсеточным движением теплоносителя в МСМ [2] позволяет создать высокоэффективный пористый теплообменный тракт, а на его основе РТА с МКДТ — с большей эффективностью теплообмена, чем у лучших оребренных трактов [3].

В теплообменном тракте с МКДТ удается уменьшить потери давления в МСМ, не увеличивая габаритных размеров теплообменного тракта [2].

Применение диффузионно-вакуумной сварки фильтровых тканых металлических сеток для изготовления МСМ [4] и принципа МКДТ является основой для создания высокоэффективных пористых теплообменных трактов для компактных теплообменных аппаратов.

Для каждой конкретной технической задачи при определении конструктивной схемы теплообменного устройства возникает проблема выбора оптимальной конструкции теплообменной поверхности. Под оптимальной поверхностью будем понимать такую конструкцию теплообменной поверхности, в которой при минимальных массе и габаритах осуществляется максимальная интенсификация теплообмена при минимальных затратах энергии на прокачку теплоносителя.

Чем выше теплопроводность МСМ в направлении теплового потока и меньше коэффициент теплопроводности теплоносителя, тем эффективнее теплообмен в пористом тракте, так как передача теплоты от теплоотдающей поверхности в теплоноситель в основном идет по высокотеплопроводному пористому каркасу.

Следует увеличивать эффективность теплообмена не за счет увеличения скорости движения теплоносителя, а за счет развития поверхности теплообмена. Применение пористых МСМ с хорошо развитой поверхностью теплообмена и переход от традиционного продольно-канального движения теплоносителя к межканальному движению теплоносителя сквозь МСМ позволяет работать при малых числах Рейнольдса и максимальной эффективности теплообмена [5].

При проектировании двухконтурных рекуперативных теплообменных аппаратов с МКДТ следует придерживаться следующих практических рекомендаций:

  • минимальным гидравлическим сопротивлением в направлении движения теплоносителя;
  • высокой теплопроводностью в направлении теплового потока;
  • высокой удельной прочностью, необходимой при изготовлении тонкостенных протяженных осесимметричных оболочек;
  • равномерной и стабильной проницаемостью.

Всем этим требованиям отвечают МСМ, изготовленные методом диффузионной сварки в вакууме металлических тканых сеток.

Литература
  1. Поляев В.М., Морозова Л.Л., Харыбин Э.В. Интенсификация теплообмена в кольцевом канале // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1976. № 2. С. 86–89.
  2. Пелевин Ф.В. Теплообмен в металлических сетчатых материалах при межканальной транспирации и двумерном межсеточном движении теплоносителя // Теплофизика высоких температур. 2018. № 2. C. 219–228.
  3. Пелевин Ф.В., Ярославцев Н.Л., Викулин А.В., Орлин С.А., Пономарев А.В. Исследование эффективности теплообмена в компланарных каналах // Теплоэнергетика. 2015. № 3. С. 35–41.
  4. Капралов Б.П., Сигачев А.П. Новые возможности диффузионно-вакуумной технологии // Производственно-технологический опыт. 1981. № 11. С. 20–35.
  5. Пелевин Ф.В., Пономарев А.В., Лоханов И.В. Экспериментальное исследование теплообмена при двумерном межсеточном движении теплоносителя в охлаждающем тракте камеры ЖРД двигательных установок перспективных КА // Вестник НПО имени С.А. Лавочкина. 2020. № 3. С. 61–64.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.