Анализ влияния чистоты обработки и условий сопряжения поверхностей теплообмена на эффективность процесса теплопереноса

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 536.2:519.6

А. А. Андрижиевский1, А. Г. Лукашевич2

1 Белорусский государственный технологический университет 2Объединенный институт энергетических и ядерных исследований -

Сосны НАН Беларуси

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЧИСТОТЫ ОБРАБОТКИ И УСЛОВИЙ СОПРЯЖЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА

ТЕПЛОПЕРЕНОСА

В рамках данного исследования рассматривалась проблема влияния чистоты обработки биметаллических контактирующих поверхностей теплообмена на величину термического сопротивления зоны их сопряжения и, соответственно, на теплообменные характеристики биметаллических теплообменных устройств.

В результате проведения комплекса вычислительных экспериментов получен ряд новых результатов и, в частности, зависимости термических сопротивлений зон сопряжения, тепловых потоков и перепадов температур от чистоты обработки контактирующих теплообменных поверхностей и влияния на контактный зазор термических условий.

Выполнено сравнение экспериментальных и численных зависимостей термических сопротивлений от перепада температур в зоне контакта (сравнение выполнено для перепада температур до 20°С, в котором эти зависимости носят линейный характер). Отмечено хорошее согласие расчетных и опытных данных.

По результатам исследования делается общий вывод о заметном влиянии степени шероховатости поверхностей теплообмена на термические параметры биметаллических теплообменных устройств только при классе чистоты обработки контактирующих поверхностей не выше шестого.

Ключевые слова: теплообменные устройства, поверхностная шероховатость, термическое сопротивление, процессы переноса, моделирование, вычислительные шаблоны.

A. A. Andrizhievsky1, A. G. Lukashevich2

1Belarusian State Technological University Joint Institute for Power and Nuclear Research - Sosny of NAS of Belarus

ANALYSIS OF INFLUENCE OF PURITY PROCESSING AND CONDITIONS ON HEAT TRANSFER SURFACES COUPLING EFFICIENCY OF HEAT TRANSFER

The study examined the impact of cleanliness processing bimetallic contact heat transfer surfaces on the value of thermal resistance zone of their pairing, and heat transfer characteristics bimetallic heat exchanger devices.

As a result of complex computational experiments obtained a number of new results and, in particular, the dependence of the thermal resistance interface zones heat flow and temperature differences from the purity of contact heat transfer processing surfaces and impact on contact clearance thermal conditions.

Compare the experimental and numerical thermal resistance dependency on temperature difference in the contact area. This comparison is executed for temperatures up to 20°C, in which these dependencies are linear in nature. Noted good agreement of settlement and empirical data on the results of studies done about a marked influence degree of roughness surface.

According to a study done about a marked influence degree of roughness surfaces heat transfer on thermal parameters of bimetallic heat exchanger devices only when class purity processing the contacting surfaces are not above the sixth.

Key words: heat-exchange devices, surface roughness, thermal resistance, transport processes, modeling, computing templates.

Введение. В основу предлагаемого метода анализа многослойных поверхностей теплообмена положена процедура анализа реальной конфигурации промышленных образцов этих поверхностей и использование ее в качестве базовой при

анализе теплогидравлических характеристик предлагаемых к внедрению конструкций.

Одним из ключевых моментов подобного анализа является определение термического сопротивления контактных поверхностей теплообмена.

Данная проблема может быть решена посредством обратных или прямых задач теплообмена на основе многомерных вычислительных аналогов с использованием данных тестовых испытаний промышленных образцов теплообменных поверхностей или прямых определений термических сопротивлений в специализированных экспериментальных исследованиях [1].

Основная часть.

Постановка задачи исследования и метод анализа. В рамках данного исследования рассматривалась проблема влияния чистоты обработки контактирующих поверхностей теплообмена1 на величину термического сопротивления зоны их сопряжения и, соответственно, на теп-лообменные характеристики биметаллических теплообменных устройств.

В качестве базовой модели процессов переноса выбрана следующая система уравнений сохранения:

ди _ р--У

У

П + р-

Сц к2 ^

е ,

•(с+(Уи )Т

+

+ ри-Уи + УР = 0; У-и = 0;

—+и —=_д_

д^ 1 дх;. дх}-

\

дХ:

V 1

+ X

Т '

где р - плотность рабочей среды; и - компонента скорость потока; п - ламинарная составляющая коэффициента динамической вязкости; Р - гидростатическое давление; Т - температура; х - пространственная координата; X - коэффициент теплопроводности; - объемный тепловой источник; индекс 1 - проекции на оси координат.

Расчет турбулентной составляющей коэффициента динамической вязкости в (1) выполняется согласно к - е модели турбулентности в интерпретации С0М80Ь МиШрЬу8Ю8 3.5:

дк ,дt

У

П + р

С к

2Л

У к

+ ри - Ук =

= рСц — (Уи + (Уи)Т )2 - ре;

де „ р--У

п+р-

С к

2\

Уе

+ ри - Уе:

фС^ -(Уи + (Уи)Т )2 - рСе2-

1 Классы чистоты поверхности

Трулы БГТУ Серия 2 № 2 2019

где к - кинетическая энергия турбулентности; е - диссипация турбулентной энергии; Сц, ок -модельные константы. Значения модельных констант определены на основании экспериментальных данных и находятся в базе данных СОМБОЬ Multiphysics [2].

Постановка задачи исследования и задание исходных данных выполнены для четырех расчетных подобластей:

— область между оребренными трубами (механизм теплопереноса - конвекция, среда -воздух);

— внешняя труба с оребрением (механизм теплопереноса - теплопроводность, среда -алюминий);

— контактная зона между внешней и внутренней трубами (термическое сопротивление);

— внутренняя труба (теплопроводность, сталь).

В качестве геометрического аналога расчетной области рассматривался промышленный образец биметаллической поверхности теплообмена с внешними интенсификатора-ми [3], который адаптировался к расчетной модели не только по геометрическим параметрам, но и структуре контактирующих поверхностей.

Результаты исследования. В рамках данного исследования рассматривалась проблема влияния чистоты обработки биметаллических контактирующих поверхностей теплообмена на величину термического сопротивления зоны их сопряжения и, соответственно, на теплообмен-ные характеристики биметаллических тепло-обменных устройств.

Ширина сопряженной области равнялась эквивалентному размеру шероховатости сопряженных поверхностей в соответствии с классом чистоты их обработки.

Основными анализируемыми параметрами являлись вертикальные (по сечению трубчатой поверхности теплообмена с внешним оребре-нием) профили температур.

Вычислительный шаблон представлял собой элемент многотрубной системы. Вид вычислительного шаблона и область построения профилей температур (тонированная плоскость) представлены на рис. 1.

Профили температур в зоне сопряжения рассчитывались в рамках вычислительных экспериментов с использованием адаптированного формализованного шаблона программного пакета 8СЛТ-Тегшо [3].

В качестве численного метода реализации данного вычислительного шаблона использован метод конечных элементов программного пакета С0М80Ь МиШрЬу8Ю8.

0,02 0,02

0,01

0

-0,01

-0,02 0,01

Рис. 1. Расчетный шаблон -область построения профилей температур

На рис. 2 показаны образцы градиентного и графического представления профилей температур в зоне сопряжения биметаллических теп-лообменных поверхностей.

Как следует из данной иллюстрации, для условий вычислительного эксперимента градиент

температур в зоне сопряжения биметаллических поверхностей теплообмена резко уменьшается с увеличением класса чистоты их обработки. Это, в свою очередь, свидетельствует о снижении термического сопротивления в зоне контакта и соответствующем увеличении теплового потока.

На рис. 3 представлены зависимости термического сопротивления (а) и теплового потока (б) от класса чистоты обработки контактирующих теп-лообменных поверхностей. Данные зависимости носят асимптотический характер стремления к предельному значению - минимуму для термического сопротивления и максимуму для теплового потока. При этом стремление к предельному значению становится мало заметным при высоких классах чистоты обработки контактирующих поверхностей теплообмена, а именно более 6-7.

В свою очередь данные зависимости отражают уменьшение доли перепада температур в зоне контакта с уменьшением доли термического сопротивления зоны контакта в суммарном термическом сопротивлении теплопере-дающих поверхностей.

При анализе влияния конструктивных параметров на условия теплообмена в зоне контакта необходимо учитывать и фактор обратного воздействия складывающихся термических условий на линейный размер зоны сопряжения.

1 /

,а р

£ р

е п

м е

н

380 370 360 350 340 330 320 310

МГ1: М2М

0

2 3 Длина дуги

5 х1(Г

Температура, К

1 1

Мл: 3/1

370

ЗМ)

350 ,а

р

340 ут

а

ЭЭО р

е

п

320 м

е

310 Н

300

г»

М1п: 283

б

373 372 371

367 366

0

2 3 Длина дуги

5 х!(Г

Рис. 2. Градиентное и графическое представление профилей температур в зоне сопряжения биметаллических теплообменных поверхностей

1

4

а

1

4

т

0

1

^

е

и

н

е

л

в т

и т а?

о С )

р О

п

о с S

е

о

к

с

е

ич

я

р

е

н

120 100 80 60 40 20

V

"х-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Класс чистоты обработки контактных поверхностей

т PQ

w

о т о п

й о в о л п е

н

25

20

15

10

2 3 4 5 6 7 8 Класс чистоты обработки контактных поверхностей

5

0

0

1

9

Рис. 3. Зависимость термического сопротивления (а) и теплового потока (б) от класса чистоты обработки (абсолютная шероховатость) контактирующих теплообменных поверхностей: 1 ~ 320 мк; 2 ~ 160 мк; 3 ~ 80 мк; 4 ~ 40 мк; 5 ~ 20 мк; 6 ~ 10 мк; 7 ~ 6,3 мк; 8 ~ 3,2 мк; 9 ~ 1,2 мк

На рис. 4 представлена зависимость термического сопротивления зоны контакта от перепада температур в контакте.

140 1М 100 го и

о  -

0 10 20 30 10 50 60

Перепад температур в контакте, К

4. Зависимость термического сопротивления от перепада температур в контакте

При построении представленной на рис. 4 зависимости учитывалось влияние температур контактирующих поверхностей на термическое расширение зоны контакта вследствие различия их коэффициентов термического расширения. Это дает основание для сравнительного анализа значений термических сопротивлений, полученных экспериментально [4], и в результате вычислительных экспериментов.

Как показали результаты экспериментального исследования, данная зависимость имела линейный характер и описывалась следующим соотношением:

Як = 3,2 . 10-5 - АТк,

где Як - термическое сопротивление зоны контакта биметаллических поверхностей теплооб-

мена; АТк - перепад температур в контакте. Эта зависимость получена в диапазоне перепада температур до 20°С.

Как видно из рис. 4, в указанном диапазоне изменения перепада температур в зоне контакта, результаты экспериментального исследования и вычислительного эксперимента хорошо согласуются между собой.

Данное совпадение можно рассматривать как подтверждение правомерности использования представленного выше формализованного шаблона, так и достоверности полученных на его основе результатов.

Заключение. В рамках данного исследования рассматривалась задача влияния чистоты обработки биметаллических поверхностей теплообмена на величину термического сопротивления зоны их сопряжения.

В результате проведения комплекса вычислительных экспериментов получен ряд новых результатов и, в частности, зависимости термических сопротивлений зон сопряжения, тепловых потоков и перепадов температур от чистоты обработки контактирующих теплообменных поверхностей и их влияния на контактный зазор термических условий.

Данный фактор связан с различием коэффициентов термического расширения биметаллических поверхностей теплообмена, ограничивающих зону контакта с воздушной прослойкой.

Выполнено сравнение экспериментальных и численных зависимостей термических сопротивлений от перепада температур в зоне контакта. Это сравнение выполнено для перепада температур до 20°С, в котором данные зависимости носят линейный характер. Отмечено хо-

е

и

н

е

л

в т

и т еэ

о и

р о

п (N

о с S

е

ко с 1 0

е

ич

S

р

е

н

Рис.

рошее согласие расчетных и опытных данных, что позволяет сделать вывод о правомерности использования адаптированного к условиям проведения вычислительного эксперимента формализованного шаблона описания процессов переноса в биметаллическом теплообменнике с внешним оребрением.

По результатам исследования делается общий вывод о заметном влиянии степени шероховатости поверхностей теплообмена на термические параметры биметаллических тепло-обменных устройств только при классе чистоты обработки контактирующих поверхностей не выше шестого.

Литература

1. Андрижиевский А. А., Лукашевич А. Г., Вороницкая А. П. Метод экспертного анализа теплотехнических характеристик промышленных образцов многослойных контактных поверхностей теплообмена // Материалы ММФ - 2013. Минск: ИТМО, 2013. Т. 1, ч. 3. - C. 665-669.

2. Андрижиевский А. А., Лукашевич А. Г. 3D компьютерная модель развитой контактной поверхности теплообмена сложной конфигурации // Труды БГТУ. 2014. № 3: Химия и технология неорган. в-в. С. 94-97.

3. Андрижиевский А. А., Лукашевич А. Г., Трифонов А. Г. Система комплексного анализа технических и термодинамических параметров теплообменных поверхностей сложной конфигурации // Свидетельство № 840 о регистрации компьютерной программы в Национальном центре интеллектуальной собственности Республики Беларусь. Минск, 2015.

4. Андрижиевский А. А., Дударев В. В., Сухоцкий А. Б. Тестирование биметаллических ребристых труб по величине термического сопротивления механического контакта несущей трубы и оребренной оболочки // Труды БГТУ. 2013. № 3: Химия и технология неорган. в-в. С. 170-175.

References

1. Andrizhievsky А. А., Voronitskaya А. P., Lukashevich A. G. The method of expert analysis of thermal characteristics of multilayer contact heat transfer surfaces. Materialy MMF - 2013 [Materials of MIF - 2013]. Minsk, ITMO, 2013, vol. 1, part 3, pp. 665-669 (In Russian).

2. Andrizhievsky А. А., Lukashevich A. G. Three-dimensional computer model for developed contact heat exchange surface of complex configuration. Trudy BGTU [Proceeding of BSTU], 2014, no. 3: Chemistry and Technology of Inorganic Substances, pp. 94-97 (In Russian).

3. Andrizhievsky A. A., Lukashevich A. G., Trifonov A. G.. System integrated analysis of technical and thermodynamic parameters of heat exchange surfaces of complex configuration. Svidetelstvo № 840 o registratsii komp'yuternoy programmy v Natsional'nom tsentre intelektual'noy sobstvennosti Respubliki Belarus' [Certificate no. 840 for registration of a computer program at the National Center intellectual property of the Republic of Belarus]. Minsk, 2015.

4. Andrizhievsky А. А., Dudarev V. V., Sukhotsky А. B. Test of bimetallic finned tubes for thermal resistance of mechanical contact between carrier pipe and finned casing. Trudy BGTU [Proceeding of BSTU], 2013, no. 3: Chemistry and Technology of Inorganic Substances, pp. 170-175 (In Russian).

Информация об авторах

Андрижиевский Анатолий Альгертович - доктор технических наук, профессор кафедры энергосбережения, гидравлики и теплотехники. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: aaandri@mail.ru

Лукашевич Алексей Геннадьевич - кандидат технических наук, заведующий лабораторией моделирования нелинейных процессов в энергетике. Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны НАН Беларуси (220109, г. Минск, ул. Академика А. К. Красина, 99, Республика Беларусь). E-mail: lag@sosny.bas-net.by

Information about the authors

Andrizhievsky Anatoly Algertovich - DSc (Engineering), Professor, the Department of Energy Savings, Hydraulics and Heat Engineers. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: aaandri@mail.ru

Lukashevich Alexey Gennadievich - PhD (Engineering), Head of the Laboratory for Modeling of Nonlinear Processes in Power Engineering. Joint Institute for Power and Nuclear Research - Sosny of NAS of Belarus (99, Akademika A. K. Krasina str., 220109, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: lag@sosny.bas-net.by

Поступила 02.04.2019