Study of the process of heat transfer in mesh matrix of rotary heat exchanger

Abstract

The results of experimental and numerical research of thermal processes in mesh matrix of rotary frame heat exchanger are presented. There was obtained a close agreement between the calculated and experimentally determined values of the degree of regeneration and hydraulic resistance of the rotary heat exchanger with a mesh matrix.

Full Text

Одним из путей повышения эффективности применяемых в настоящее время в распределенной энергетике микротурбин является установка в них теплообменников со сверхвысокой степенью регенерации (95-97%). По этому направлению идет американская компания Wilson, разрабатывающая микротурбину мощностью 300 кВт с электрическим КПД 50% [1]. Получение степени регенерации на уровне 95-97% при приемлемых габаритах возможно в компактных роторных теплообменниках. В таких теплообменниках, как правило, используется сверхкомпактная пористая теплопередающая матрица. В частности в роторном теплообменнике отечественной микротурбины мощностью 270 кВт применяется пористая матрица, образованная намоткой металлических сеток [2]. Имеющаяся информация по теплопередаче в таких сетках весьма невелика. Исследования теплогидравлических характеристик проводились в очень узком диапазоне температур матрицы и теплоносителей (в экспериментах сетчатая матрица обдувалась попеременно воздухом с температурами 500С и 300С, соответственно, в этом же диапазоне менялась температура сетчатой матрицы) и в полученной эмпирической зависимости отсутствуют элементы, учитывающие температуру сетчатой матрицы [3]. Следствием этого явилось значительное, на 3-4% (абсолютных), несовпадение экспериментально полученной на режиме с температурой матрицы, лежащей в диапазоне 230-6000С, и расчетной степени регенерации теплообменника [2, 4]. Для нахождения уточненной зависимости было выполнено математическое моделирование теплогидравлических процессов в сетчатой матрице, в результате которого были получены зависимости фактора Колборна (связанного с коэффициентом теплоотдачи матрицы) от параметров потока теплоносителя в виде [5, 6]: , . Целью данной работы является экспериментальная проверка этих зависимостей. Для выполнения поставленной задачи был разработан и смонтирован экспериментальный стенд (рисунок 1). Рисунок 1. Стенд для определения теплогидравлических характеристик роторного теплообменника Объектом исследования служила сетчатая теплопередающая матрица (рисунок 2), применяемая в роторных каркасных теплообменниках транспортных микротурбин [2]. Основные геометрические параметры сетчатой матрицы приведены на рисунке 2. Слои сетки укладывались в цилиндрические ячейки диска роторного теплообменника (12 ячеек). Толщина сетчатой матрицы в каждой ячейке составляла 9 мм. Диск теплообменника приводился в движение электродвигателем. Подвод тепла к воздуху перед теплообменником производился двумя электрическими нагревателями, установленными в верхней части стенда. Измерения температур воздуха производились в патрубках на входе и выходе диска теплообменника с помощью десяти тарированных хромель-копелевых и хромель-алюмелевых термопар, а также платы сбора и преобразования данных «National Instruments» с погрешностью в рассматриваемом температурном диапазоне около 2 0С. Рисунок 2. Фрагмент сетки матрицы Помимо температур на стенде проводились измерения перепадов давления воздуха на диске теплообменника (пьезометрами) и расход проходящего через теплообменник воздуха (с помощью диафрагмы). По полученным значениям температуры рассчитывались значения степени регенерации , где: - осреднённая температура газа* на входе; - осреднённая температура газа* на выходе; - осреднённая температура воздуха на входе; * воздух, прошедший через электронагреватель, позиционируется как газ. Расход воздуха рассчитывался по зависимости: , где: F - площадь проходного сечения, α - коэффициент расхода, ρ - плотность вещества, ΔP - значение перепада давления на диафрагме. Испытания проводились при различных расходах воздуха через теплообменник. Частота вращения ротора теплообменника на всех режимах была равной 17,5 об/мин. Полученные экспериментальные данные приведены в таблице 1. Таблица 1. Параметры теплоносителя в теплообменном аппарате на выбранных режимах Расход теплоносителя, кг/с Параметры газа Параметры воздуха Давление на входе, Па Перепад давления на входе, Па Температура на входе, К Температура на выходе, К Перепад давления на выходе, Па Давление на выходе, Па Температура на входе, К Реж 1 0.0052 106056 981 633.4 360.5 814 100858 294.65 Реж 2 0.00431 104095 775 652 367.77 608 100172 297.4 Реж 3 0.00334 102869 588 651.6 372.83 471 99681 300.85 Для апробации полученных уточненных зависимостей фактора Колборна [5, 6] был выполнен теплогидравлический расчет испытуемого роторного теплообменника. Математическое моделирование базировалось на решении системы уравнений, включающей уравнения Навье-Стокса, энергии, неразрывности и состояния. Сетчатый теплопередающий элемент теплообменного устройства математически описывался как пористое тело. Теплогидравлические процессы в сетчатой матрице теплообменника описывались зависимостями для фактора Колборна, а также зависимостями линейного и квадратичного коэффициентов сопротивления [5, 6]. Расчетная модель задачи показана на рисунке 3. В нее вошли сектор диска с ячейкой, заполненной сетчатой матрицей, секторы верхней и нижней крышек теплообменника, а также секторы участков входных и выходных патрубков (рисунок 3). На входе и выходе расчетной модели задавались расход и статическое давление соответственно, а на боковых поверхностях секторов - условия симметрии. Теплофизические свойства воздуха и стали задавались в зависимости от температуры. Расчётная модель продувалась попеременно газом и воздухом, направления течения которых, в соответствии с работой экспериментального стенда, брались противоположными. Поочередная продувка газом и воздухом матрицы теплообменного устройства проводилась до выхода на установившийся режим. Такому режиму соответствовало отличие не более чем на 1% количества переданного от газа к воздуху тепла за два смежных оборота. Исходные данные для расчета принимались в соответствии с экспериментально исследованными режимами (таблица 1). Рисунок 3. Расчетная модель экспериментального стенда В результате расчета были определены значения степени регенерации и гидравлического сопротивления роторного теплообменника с сетчатой матрицей (таблица 2). Как видно из таблицы, использование в расчетах теплообменника полученных в [5, 6] описывающих процессы теплоотдачи зависимостей дает хорошее совпадение с экспериментом. Максимальное различие между расчетными и экспериментально определенными значениями степени регенерации теплообменника с сетчатой матрицей не превышает 0.6%. Следует также отметить весьма близкое совпадение расчетных и экспериментальных значений гидравлического сопротивления теплообменника с сетчатой матрицей и соответственно апробации применяемых в расчете зависимостей [5, 6]. Таблица 2. Значения степени регенерации и потерь давления теплообменного устройства Эксперимент Расчет Перепад давления на «воздушной» стороне теплообменника Па Перепад давления на «газовой» стороне теплообменника, Па Степень регенерации, % Перепад давления на «воздушной» стороне теплообменника, Па Перепад давления на «газовой» стороне теплообменника, Па Степень регенерации, % Режим 1 981 814 80.56 1029 841 80.09 Режим 2 775 608 80.26 803 628 79.87 Режим 3 588 471 79.47 603 489 79.12 Выводы 1. Получены экспериментальные значения степени регенерации и гидравлического сопротивления теплообменника с сетчатой матрицей. 2. Выполнено численное моделирование теплогидравлических характеристик теплообменника с сетчатой матрицей с использованием полученных уточненных зависимостей [5, 6]. 3. Получено близкое совпадение расчетных и экспериментально определенных значений степени регенерации и гидравлического сопротивления теплообменника с сетчатой матрицей.