Экспериментальное и численное исследование противоточного теплообменника с диффузорным и конфузорным каналами

Автор: Владимир Викторович Трифонов

Соавторы: А.И. Решмин, C.X. Тепловодский

Организация: НИИ Механики МГУ

Проведены численные и экспериментальные исследования течений в кольцевом и коническом каналах переменного сечения. Течение предполагается непрерывным, поэтому учитываются только малые углы наклона стенок канала. Для чисел Рейнольдса в диапазоне 1000-10000 рассчитаны профили скорости, энергии турбулентности, напряжений Рейнольдса и определяемые ими характеристики турбулентного теплообмена.

Расчеты показывают сильное влияние угла раскрытия канала на характеристики турбулентного течения. Увеличение интенсивности турбулентности при подводе тепла к стенке приводит к увеличению характеристик теплообмена.

С помощью численного моделирования определены характеристики экспериментальной установки противоточного теплообменника с диффузорными каналами. В зависимости от положения вентильных переключателей теплообменник может работать в двух режимах: диффузор в диффузоре (расширяющиеся каналы) или конфузор в конфузоре (сходящиеся каналы).

Расчеты проведены с использованием трехпараметрической дифференциальной модели турбулентности [1], дополненной уравнениями турбулентного теплообмена, и проведено численное исследование течения и теплообмена в кольцевом и коническом каналах с разной степенью расширения. В качестве теплоносителя рассматривалась вода.

Показано, что в расширяющихся каналах (кольцевых и конических) при всех рассмотренных углах раскрытия основные характеристики теплообмена - число Нуссельта и коэффициент аналогии Рейнольдса - оказываются выше, чем в сужающихся каналах, при одном и том же числе Рейнольдса.

Для этих двух режимов работы теплообменника были измерены характеристики теплопередачи и сопоставлены с расчетными данными.

Интенсификация теплообмена в таком теплообменнике с диффузорными каналами достигается без заметного увеличения коэффициента трения. В этом принципиальное отличие рассматриваемого способа интенсификации теплоотдачи от многих известных способов, где увеличение теплоотдачи достигается за счет значительного увеличения гидравлических потерь.

[1]          Lushchik V. G., Pavel'ev A. A., Yakubenko A. E.:  Three-parameter model of shear turbulence. Fluid Dyn 13, 350–350 (1978).