Применение пластинчатых теплообменных аппаратов с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи в системах «EGR» для улучшения экологических характеристик ДВС

УДК 536.24

И. Р. Габдрахманов, А. В.Щелчков, И. А. Попов,

С. А. Исаев

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ИНТЕНСИФИКАТОРАМИ ТЕПЛООТДАЧИ В СИСТЕМАХ «EGR»

ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВС

Ключевые слова: рециркуляция, система охлаждения, вредные выбросы,теплоотдача, гидросопротивление, интенсификация

теплообмена, цилиндрические выемки.

Представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи и гидросопротивления в каналах пластинчатых теплообменников с односторонним нанесением цилиндрических выемок при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения теплоносителя. На примере теплообменника-охладителя системы рециркуляции отработанных газов дизельных двигателей показана значимость теплообменников, влияние их характеристик на показатели работы двигателей и на выбросы в окружающую среду. Показана возможность повышения интенсивности теплоотдачи до 36%. Результаты экспериментального исследования сопоставлены с результатами численных исследований С. А. Исаева. Показано хорошее согласование результатов экспериментальных и численных исследований.

Keywords: recirculation, coolingsystem, emissions, heattransfer, frictionfactor, heattransferenhancement, cylindricalcavity.

The article presents the results of an experimental study of the heat transfer and friction factor in the laminar, transitional and turbulent flow in a flat channel with one-sided cylindrical cavities. On the example of the heat exchanger in diesel engine EGR-system shown the importance of heat exchangers, influence of them on the performance characteristics of engines and emissions into the environment. The possibility of increasing the intensity of heat transfer up to 36% is presented. The results of experiments are compared with the S. A. Isaev's numerical calculations. There is a good agreement of the experimental results and numerical calculations.

Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) находят широкое применение в наземных, водных и воздушных транспортных машинах. В качестве топлива для ДВС, как известно, используются продукты переработки нефти. Использование топлива из нефтепродуктов сопряжено значительным загрязнением окружающей среды выхлопными газами. При этом следует отметить что суммарная мощность мирового транспортного парка на порядок выше мощности всех работающих электростанций, а количество вырабатываемой ими энергии превышает треть общего количества [1].

Рост цен на углеводородное топливо и необходимость уменьшения вредных выбросов, привело к тому, что, во-первых, разрабатываются различные программы защиты окружающей среды, во-вторых, расширяется применение более экономичных конструктивных решений в ДВС.

За последние десятилетия на рынке резко возросла доля дизельных двигателей как для легковых, так и для грузовых автомобилей. В настоящее время дизели занимают более 50% рынка силовых агрегатов в зоне Евросоюза.

Начиная с конца 80-х г. XX века в Европе внедряются экологические стандарты (с 2015г.действует стандарт Евро-6), регулирующие содержание вредных веществ в выхлопных газах. Выполнение данных требований неразрывно связано с разработкой новых технических решений, одним из которых является использование систем EGR [2-5].

EGR (exhaustgasrecirculation) - система рециркуляции отработанных газов, заключается в повторном использовании отработанных выхлопных

газов. Часть отработанных газов забирается после камеры сгорания, добавляется в топливно-воздушную смесь, направляется обратно в камеру сгорания, где она помогает увеличить удельную теплоемкость продуктов сгорания в цилиндре, в результате чего снижается температура адиабатического пламени. С учетом того, что воздействие высоких температур на смесь азота и кислорода существенно влияет на образование МОх, использование системы БвЯ позволяет снизить количество данных соединений в выхлопных газах. В современных дизельных двигателях через систему БвЯ проходит от 5 до 25 % выхлопных газов.

Стандартная схема системы БвЯ представлена на рис. 1.

Дроссель подачи

Рис. 1 - Схема системы EGR

Впускной воздушный и выпускной газовый коллекторы связаны магистралью, по которой выхлопные газы попадают во впускной коллектор при работающем двигателе. Отработанный газ охлаждается в теплообменнике перед подмешиванием к свежему воздуху. При этом следует отметить о наличии ограничения температуры охлаждения до температуры

точки росы. В противном случае, конденсированные частицы в отработанном газе могут вызвать нежелательные эффекты в цилиндре двигателя.

В настоящее время в качестве охладителей в системах БвЯ используются рекуперативные теплообменники различной конструкции. Так как в БвЯ реализуется режим «газ-воздух», обеспечивающий низкие коэффициенты теплоотдачи, то проблема повышения интенсификации теплообмена является весьма актуальной задачей, решение которой также может повысить тепловую эффективность и компактность применяемых теплообменных аппаратов. Одним из таких решений является метод интенсификации теплоотдачи с использованием дискретно-шероховатых поверхностей в виде выемок или выступов в целях увеличения уровня турбулентности в потоках теплоносителей [6].

В подавляющем большинстве экспериментальные исследования середины прошлого века по интенсификации теплообмена [7-10] наряду с разнообразными выступами [11-13] рассматривали каверны различной формы, наиболее простыми из которых были цилиндрические впадины [14-16].

Исследование теплогидравлических характеристик плоских каналов с цилиндрическими выемками

Объект исследования

Для изучения теплофизических процессов протекающих в теплообменнике использовалась экспериментальная установка, описание которой, методики проведения и обработки экспериментальных данных приведено в работе [17]. Исследование проведены при ламинарном, переходном и турбулентном течении воздуха (Ре=ршйг/^=200-20000).

В работе представлены результаты экспериментального исследования интенсификации теплоотдачи в плоских каналах систем утилизации тепла за счет использования систем цилиндрических выемок. Эксперименты проведены в щелевом канале длиной _=196 мм (1_Юг=49, йг - гидравлический диаметр канала), высотой Н=2мм, шириной В=98мм с внезапным входом. Цилиндрические выемки глубинойИ=1,6-8 мм и диаметром й=16 мм (ИЮ=0,1-0,5) нанесены в шахматном порядке с шагом 8 мм на нагреваемое алюминиевое основание толщиной 10 мм (рис.2).

Л

о°о

Си1! 111 (и1!

С)

о

ф

ф а

о.

е

иг

О

Кпд&ещ/е цнн

1 16

2 и

3 5.6

3

Рис. 2 - Схема поверхности теплообмена с цилиндрическими выемками и препарировки поверхности термопарами

Тестовые опыты по исследованию гидросопротивления и теплоотдачи в гладких каналах показали удовлетворительное согласование экспериментальных и расчетных данных во всем диапазоне режимных параметров.

Теплоотдача и гидросопротивление.

Экспериментальное исследование

Анализ результатов экспериментов показал, что нанесение цилиндрических выемок увеличило уровень эффективной теплоотдачи (а=0/(Р0ДТ), Р0 -гладкая поверхность) в канале с выемками ИЮ=0,5до 36%. Уменьшение относительной глубины выемок И/йприводит к уменьшению эффективного коэффициента теплоотдачи.

Л Канал с цилиндр.выт>»лми №0=4.2 о канале ци.-индр " " "О Эб

О 2000 ЛИВ 0000 1000 10000 12000 11000 10000 10000 20000

Ре

Рис. 3 - Экспериментальные данные по осред-ненной теплоотдаче

Анализ данных по теплоотдаче также показал, что на рис.3 увеличение эффективной теплоотдачи связано в основном с развитием поверхности. На рис.4 показаны уровни теплоотдачи в исследованных каналах с учетом развития поверхно-сти(а=0/(РДТ), Р-суммарная площадь поверхности теплообмена, равная сумме площади гладкой поверхности и боковых поверхностей цилиндрический выемок). Видно, что теплоотдача в каналах с цилиндрическими выемками и в гладком канале примерно одинаковы.

На рис.5 представлены результаты исследования коэффициента гидросопротивления^в каналах с односторонним нанесением цилиндрических выемок. Режимы обтекания цилиндрических выемок и переходные числа Рейнольдса исследовались в [16,17].

Для расчета коэффициентов гидросопротивления и эффективной теплоотдачи предложены обобщающие зависимости, описывающие экспериментальные данные с отклонением не более ±10% при доверительной вероятности 0,95:

для Ре=200-2000:

для Ре=2500-2000:

^=22,5/Ре

0,74

^=0,557(ЬЮ)0095/Ре0'253; 1\1и=0,0164Ре0,85(11/0)0,07

* Канале цилиндр.выемками 11/0-0,1

* Канале цилиндр.выемками К/0=0,2 Канале цилиндр.выемками 11/0-0,35

* Канале цилиндр.выемками 11/0=0,5 -•-Гладкий канал - раенет

Рис. 4 - Экспериментальные данные по теплоотдаче с учетом развития поверхности

0.500 0.450 0.400 0.350 0.300 0.150

0.100 0,050 0.000

Канал с цилиндр, выемка ми КЛЭ= 0.1 -

О Канал с цилиндр, выемка ми К/П=0,3£

1

О Гладкий ка н ал - ксперимент -

♦

2

й>

♦ <

V Ы & к Е. | У м 1

м

угу т<> х> сН -л

Рис. 5 - Экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению

Численное исследование

В работе [18] проведено исследование гидросопротивления и теплоотдачи в канале с нагреваемой стенкой с рельефом цилиндрических выемок с использованием новой версии пакета УР2/3. Дается анализ интенсификации теплообмена в прямоугольном канале поперечного сечения 10,2:1 с 24 цилиндрическими выемками глубиной ИЮ=0,2при Ре=7000-16000 при прокачке воды.

Акцент в [18]сделан на поведении интегральных теплогидравлических характеристик в зависимости от числа Рейнольдса. Распределения локальных параметров течения, а также локальных и осредненных по поперечным и продольным полосам чисел Нуссельта анализируются в срединном продольном сечении участка канала с выемками и поперек его, причем локальные параметры определяются в сечении, проходящем через центры последнего ряда выемок. На рис.6. сравниваются поля рассчитанного числа Нуссельта на омываемой нижней стенке для канала с выемками и для гладкостенного канала.

Интегральные теплогидравлические характеристики канала с цилиндрическими лунками, судя по таблице 1, с ростом Ре ведут себя подобно характеристикам каналов с нанесенными сферическими выемками.

Рис. 6 - Сравнение распределений числа Нус-сельта на участке нагретой стенки в гладком ка-нале(а) и канале с цилиндрическими выемками (Ь) при Яе=7000

Теплоотдача, определяемая суммарным числом Нуссельта Nuo участка с выемками, равно, как и эквивалентного участка гладкого канала №ор1, постепенно увеличивается, однако тепловая эффективность, оцениваемая отношением Nuo/Nuopl, монотонно снижается, оставаясь в то же время больше 1 (т.е. теплоотдача от участка с выемками выше, чем от эквивалентного участка гладкой стенки).

Таблица 1 - Влияние числа Рейнольдса на интегральные теплогидравлические характеристики

Re 7000 10000 13000 16000

NUo 19,4 25,8 31,4 36,4

17,4 23,6 29,3 34,5

NUo/ 1,115 1,093 1,072 1,055

NUopl

с 0,01514 0,01511 0,01472 0,01461

^ 0,01368 0,01279 0,01205 0,01157

У Сп! 1,107 1,181 1,222 1,263

(NUo/ 1,007 0,925 0,877 0,835

NUopl)/

Гидравлические потери £ по мере роста Re уменьшаются для канала с выемками и гладкого канала, но их отношение увеличивается. Как результат, теплогидравлическая эффективность канала с выемками с повышением Re падает. Следует отметить, что только при Re=7000 эффективность равна 1, т.е. скорости роста теплоотдачи уравновешиваются возрастанием гидравлических потерь. При более высоких Re теплогидравлическая эффективность меньше 1. Укажем, что в скобки в Таблице заключены величины, определенные с учетом возрастания смоченной поверхности за счет нанесения выемок.

Легко видеть, что теплоотдача от участка с выемками в этом случае оказывается меньше, чем для эквивалентной гладкой стенки, т. е. полученный результат по интенсификации теплообмена можно отнести на счет увеличения поверхности теплообмена.

Заключение

Результаты экспериментального исследования показали, что нанесение цилиндрических выемок позволяет повышать общий теплосъем с нагреваемой стенки. При нанесении выемок с h/D=0,5 повышение теплоотдачи составляет 36%. При этом наблюдается соизмеримый рост гидросопротивления.

Совместный анализ результатов численного и натурного эксперимента дал одинаковый вывод о том, что повышение теплоотдачи в основном связано с увеличением поверхности теплообмена, а не гидродинамическим воздействием на пристенное течение.

Литература

1. Брылов С .А., Грабчак Л.Г., Комащенко В.И. и др; Охрана окружающей среды. Учеб. для горн. и геологических спец.вузов./ Под ред. С. А. Брылова и К. Штродки. - М.: Высш. шк., 1985, - 272с.

2. Abu-Hamdeh, N. H., Effect of cooling the recirculated exhaust gases on diesel engine emissions // Energy Conv. Manag., 2003. Vol.44, No. 19, pp. 3113-3124.

3. Peng, H., Cui, Y., Shi, L. and Deng, K., Effects of exhaust gas recirculation (EGR) on combustion and emissions during cold start of direct injection (DI) diesel engine // Energy, 2008. Vol. 33, No.3, pp. 471-479.

4. Saravanana, N. and Nagarajanb, G., An experimental investigation on performance and emissions study with port injection using diesel as an ignition source for different EGR flow rates // Int. J. Hydrog. Energy, 2008. Vol. 33, No. 16, pp. 4456-4462.

5. Shi, L., Cui, Y., Deng, K., Peng, H. and Chen, Y., Study of low emission homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine using combined internal and external exhaust gas recirculation (EGR) // Energy, 2006. Vol. 31, No. 14, pp. 2665-2676.

6. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Олимпиев В.В., Щелчков А.В., Каськов С.И. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена. Под ред. Ю.Ф.Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий. 2009. 531с.

7. Щукин А.В., Козлов А.П., Агачев Р.С., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена сферическими лунками при воздействии возмущающих факторов / Под

ред. акад. В.Е.Алемасова. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. 2003. 143с

8. Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А., Алексеев В.В. Самоорганизация смерчеобразных струй в потоках вязких сплошных сред и интенсификация тепломассообмена, сопровождающая это явление. М.: Издательство МЭИ. 205. 84с.

9. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. - Л.: Энергия, 1980. - 144с.

10. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Федик И.И., Холпанов Л.П. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах. - М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008. 532с.

11. Попов И.А., Щелчков А.В., Яркаев М.З., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. Теплоотдача и гидросопротивление профилированных труб с 2D и 3D шероховатостью при переходных режимах течения. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 16. С. 56-59.

12. Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика около поверхностных углублений (лунок). Киев: Институт технической теплофизики. 2005. 76 с.

13. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. - М.: Энерго-атомиздат, 1998. - 408с.

14. Hiwada M., Kawamura T., Mabuchi I., Kumada M. Some characteristics of the flow paatrn and heat transfer past a circular cylindrical cavity // Bulletin of the JSME. 1983. Vol.26 (220). P.1744-1752.

15. Халатов А.А.,Борисов И.И., Шевцов С.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил. Т.5: Тепломассообмен и теплогидравлическая эффек-ттивность вихревых и закрученных потоков. К.: Ин-т техн. теплофизики НАНУ. 2005. - 500 с.

16. Попов И.А., Щелчков А.В., Рыжков Д.В., Ульянова Р.А. Вихреобразование в отрывных потоках на поверхностях с углублениями различной формы // Тепловые процессы в технике. 2011. № 6. С. 253-258.

17. Рыжков Д.В. Гидродинамика и теплообмен в каналах с поверхностными интенсификаторами при вынужденном движении теплоносителей. автореферат дис. ... кандидата технических наук: 01.04.14, 01.02.05. Казань: КГТУ им.А.Н.Туполева. 2011. 16с.

18. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Баранов П.А. Численное моделирование интенсификации теплообмена при движении воды в узком канале с цилиндрическими лунками на нагретой стенке // Тепловые процессы в технике. 2013. Т. 5. № 12. С. 542-551

© И. Р. Габдрахманов - аспирант кафедры теплотехники и энергетического машиностроения КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, turkeesh@yandex.ru; А. В. Щелчков - к.т.н., доцент той же кафедры, lexa_kzn@mail.ru; И. А. Попов - д.т.н., профессор той же кафедры, popov-igor-alex@yandex.ru; С. А. Исаев - д.ф.-м.н., профессор кафедры механики СПБГУГА, isaev3612@yandex.ru

© I.R. Gabdrakhmanov - Postgraduate student, Heat Engineering & Power Engineering Department, KNRTU-KAI, turkeesh@yandex.ru; A. V. Shchelchkov - PhD, docent, Heat Engineering & Power Engineering Department, KNRTU-KAI, lexa_kzn@mail.ru; I. A. Popov - Prof. , D.Sc, Heat Engineering & Power Engineering Department, KNRTU-KAI, popov-igor-alex@yandex.ru; S. A. Isaev - Prof , D.Sc, Mechanical Engineering Department, SPSUoCA, isaev3612@yandex.ru