Энергосберегающее теплообменное оборудование на базе теплообменных пружинно-витых каналов

В настоящее время доля теплообменного оборудования в структуре производств различных отраслей промышленности в стране, составляет порядка 70%. D большинстве случаев используются теплообменные аппараты с гладкотрубными тепловыми элементами, они отличаются недостаточной эффективностью теплообмена, значительными габаритами, а так же высоким уровнем морального и физического износа (до 80%), вследствие длительного срока их эксплуатации (более 45 лет). Для решения данной проблемы авторами проекта предлагается внедрение в промышленность теплообменных элементов на базе пружинно-витых каналов.

Разработка математических моделей и технологии лазерной сварки, обеспечивающих изготовление пружинно- витых каналов теплообменных аппаратов с целью освоения их промышленного производства для обеспечения высокой эффективности работы теплообменных аппаратов нового поколения.
1. Разработка математических моделей описания теплообменных поверхностей пружинно-витых каналов, выполненных в виде цилиндрических, змеевиковых и конфузорно-диффузорных труб.
2. Разработка физических и математических моделей сопряженной задачи теплообмена в пружинно-витых каналах, выполненных в виде цилиндрических, змеевиковых и конфузорно-диффузорных труб, выполненных в виде цилиндрических, змеевиковых и конфузорно-диффузорных труб.
3.Разработка алгоритма численной реализации сопряженной задачи теплообмена в пружинно-витых каналах.
4.Постановка экспериментальных исследований и проверка адекватности математических моделей сопряженной задачи теплообмена в пружинно-витых каналах.
5. Разработка математической модели процесса лазерной сварки для изготовления пружинно-витых каналов.
6. Разработка и опытно-промышленное освоение технологии лазерной сварки для изготовления пружинно- витых каналов.
7. Организация лаборатории для проведения исследований и испытаний пружинно- витых каналов
8.Разработка конструкторской документации на специализированный станок для изготовления пружинно- витых каналов способом лазерной сварки.
9. Изготовление опытного образца станка для производства пружинно - витых каналов.

Проведенный анализ конструкций теплообменных аппаратов (ТА) показал, что на практике в большинстве случаев используются ТА с гладкотрубными тепловыми элементами. Они отличаются порой недостаточной эффективностью теплообмена, значительными габаритами, а так же высоким уровнем морального и физического износа (до 80%), вследствие длительного срока их эксплуатации (более 45 лет). Кроме того опыт эксплуатации таких теплообменников показал, что данное оборудование уже не отвечает возросшим требованиям современного производства. 

Одним из путей решения проблемы интенсификации процесса теплообмена является создание ТА на базе  теплообменных элементов в виде закручивающих устройств и оребрением с различной формой выступов.

Для описания поверхностей теплообменных элементов, выполненных в виде пружинно-витых каналов, предлагаются подходы и методы математического аппарата аналитической и дифференциальной геометрии. При этом уравнения поверхностей теплообмена записываются в векторно-параметрической форме и позволяют построить каналы любой наперед заданной геометрии его проточной части и проволочной основы стенки канала различного поперечного сечения
Предлагается математическая модель трехмерной задачи сопряженного теплообмена на базе осредненных по Рейнольдсу уравнений движения, неразрывности, энергии и теплопроводности стенок канала с учетом граничных условий. Для замыкания системы уравнений предлагается использовать двухпараметрическую модель турбулентности Ментера, которая, на наш взгляд, по совокупности своих качеств является одной из лучших среди существующих на сегодняшний день моделей турбулентности.
Численная реализация полученной модели с использованием пакета программ ANSYS позволит определить поле скоростей, давления и температур при течении вязких жидкостей в пружинно-витых каналах и разработать методику надежных инженерных расчетов современного теплообменного оборудования на базе теплообменных пружинно-витых каналов.
 

Предполагаемым результатом проекта будет являться:
-получение математической модели пружинно- витого канала для теплообменного аппарата, обеспечивающей наибольшую эффективность работы теплообменного оборудования для жидкостей различной вязкости.
-изготовление опытного образца станка для производства пружинно- витых каналов теплообменных аппаратов.
- организация производства пружинно- витых каналов и теплообменных аппаратов нового поколения на их основе.
- получение патентов на серию пружинно- витых и «конфузорно- диффузорных» каналов с интенсифицированными процессами гидродинамики и теплообмена.
- получение патента на специализированный станок для производства пружинно- витых каналов.

1. Патент РФ №133596 Змеевиковый теплообменник/Золотоносов А.Я., Золотоносов Я.Д., Князева И.А., Багоутдинова А.Г. - №2013113048/06, заявл. 22.03.13; опубл. 20.10.13.
2. Патент РФ 150006 Установка для лазерной сварки витой трубы с пружинно-витым каналом/Золотоносов А.Я., Князева И.А.- 2014123281/02, заявл. 06.06.2014; опубл. 27.01.2015.
3. Инженерные методы расчета задач нелинейного теплообмена при ламинарном течении жидкости в каналах : коллективная монография / Ю.В. Видин. - Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2015. - 156 с.
4. Деменок, С.Л. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубах и каналах / С.Л. Деменок. - СПб : Н-Пром Бюро, 2012. - 286 с
5. Лифенцева, Л.В. Теплотехника / Л.В. Лифенцева ; под ред. Н.В. Шишкина. - 2-е, перераб. и доп. - Кемерово : Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2010. - 188 с

Investigation of fluid flow and heat transfer in turbulent flow of viscous fluid in the channels of complex configuration and development of industrial technology of laser welding for production of a new generation of heat exchangers based on spring-twisted channels.