Анализ теплообмена и трения в смесях инертных газов для замкнутых газотурбинных установок

Рассмотрены типы поверхностей теплообмена, применяемых в замкнутых газотурбинных установках космического назначения и их конверсионном варианте (наземного применения) в качестве автономных долгоресурсных энергетических установок малой мощности (менее 10 кВт). Проанализированы данные работ, известных в России и за рубежом, по развитому турбулентному течению в трубе при использовании газовых смесей с аномально низкими числами Прандтля (0,2). Даны рекомендации по применению аналитических соотношений Кэйса, Петухова и Попова для расчета числа Нуссельта в трубах. Выполнен анализ влияния неизотермичности потока и начального участка трубы на трение, а также числа Прандтля рабочего тела на теплообмен и трение для высококомпактных пластинчато-ребристых поверхностей теплообмена с шахматным расположением ребер. Выявлено, что соотношения, полученные для воздушной модели, неприменимы для рабочих тел с числами Прандтля, отличными от числа Прандтля воздуха. Подтверждена необходимость дальнейших экспериментальных и аналитических исследований теплообмена и трения в трубах при переходном режиме течения и высококомпактных пластинчато-ребристых поверхностей с шахматным расположением ребер

Литература

[1] Арбеков А.Н., Леонтьев А.И., Самсонов В.Л. и др. Безъядерная энергетика пилотируемой экспедиции на Марс. Изв. РАН. Энергетика, 2002, № 4, с. 3--12.

[2] Арбеков А.Н., Леонтьев А.И. Развитие космических газотурбинных установок в работах В.Л. Самсонова. Труды МАИ, 2011, № 43. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=24713

[3] Mason L.S., Shaltens R.K., Dolce J.L., et al. Status of Brayton cycle power conversion development at NASA GRC. AIP Conf. Proc., 2002, vol. 608, no. 1, pp. 865--871. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1449813

[4] Mohamed S.E., Tournier J.P. Noble gas binary mixtures for gas-cooled reactor power plants. Nucl. Eng. Design, 2008, vol. 238, no. 6, pp. 1353--1372. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2007.10.021

[5] Tournier J.P., Mohamed S.E. Properties of noble gases and binary mixtures for closed Brayton сycle application. Energy Convers. Manag., 2008, vol. 49, no. 3, pp. 469--492. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2007.06.050

[6] Pierce B.L. The influence of recent heat transfer data on gas mixtures (He--Ar, H₂--CO₂) on closed cycle gas turbines. J. Eng. Power., 1981, vol. 103, no. 1, pp. 114--117. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3230681

[7] Johnson P.K. Experimental validation of a closed Brayton cycle system transient simulation. AIP Conf. Proc., 2006, vol. 813, no. 1, pp. 673--681. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2169248

[8] Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М., Энергия, 1967.

[9] Desmon L.G. Braiton cycle radiant gas heating system. Final report NASA-CR-72575. San Diego, Solar Division of International Harvester Company, 1969.

[10] Taylor M.F., Bauer K.E., McEligot D.M. Internal forces convection to low-Prandtl number gas mixtures. Int. J. Heat Mass Transf., 1988, vol. 31, no. 1, pp. 13--25. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(88)90218-9

[11] Serksnis A.W., McEligot D.M., Taylor M.F. Convective heat transfer for ship propulsion. 4th Annual Summary Report ADA-062442, Arizona, Tucson, Defense Technical Information Center, 1978.

[12] Magee P.M., McEligot D.M. Effect of property variation on the turbulent flow of gases in tubes: the thermal entry. Nuclear Sc. Eng., 1968, vol. 31, no. 2, pp. 337--341. DOI: https://doi.org/10.13182/NSE68-A18246

[13] Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М., Энергоатомиздат, 1985.

[14] Куликова Т.Н., Марков П.В., Солонин В.И. Моделирование теплоотдачи к газовому теплоносителю с пониженным значением числа Прандтля. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015, № 6, с. 420--437. URL: http://engineering-science.ru/doc/780763.html

[15] Петухов Б.С., ред. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М., Изд-во МЭИ, 2003.

[16] Drew T.B., Koo E.C., McAdams W.H. The friction factor in clean, round pipe. Trans. Inst. Chem. Eng., 1932, no. 28, pp. 56--72.

[17] Elistratov S.L., Vitovskii O.V., Slesareva E.Yu. Experimental investigation of heat transfer of helium--xenon mixtures in cylindrical channels. J. Eng. Thermophysics, 2015, vol. 24, no. 1, pp. 33--35. DOI: https://doi.org/10.1134/S181023281501004X

[18] Ismail L.S., Velraj R., Ranganayakulu C. Studies on pumping power in terms of pressure drop and heat transfer characteristics of compact plate-fin heat exchangers --- a review. Renew. Sust. Energ. Rev., 2010, vol. 14, no. 1, pp. 478--485. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.06.033

[19] Hu S., Herrold K. Prandtl number effect on offset fin heat exchanger performance-predictive model for heat transfer and pressure drop. Int. J. Heat Mass Transf., 1995, vol. 38, no. 6, pp. 1043--1051. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(94)00219-L

[20] Hu S., Herrold K. Prandtl number effect on offset fin heat exchanger performance experimental results. Int. J. Heat Mass Transf., 1995, vol. 38, no. 6, pp. 1053--1061. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(94)00220-P

[21] Tinaut F.V., Melgar A., Rahman Ali A.A. Correlations for heat transfer and flow friction characteristics of compact plate-type heat exchangers. Int. J. Heat Mass Transf., 1992, vol. 35, no. 7, pp. 1659--1665. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(92)90136-G

[22] Joshi H.M., Webb R.L. Heat transfer and friction in the offset-strip fin heat exchangers. Int. J. Heat Mass Transf., 1987, vol. 30, no. 1, pp. 69--84. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(87)90061-5

[23] Wieting A.R. Empirical correlations for heat transfer and flow friction characteristics of rectangular offset-fin plate-fin heat exchangers. ASME J. Heat Transfer, 1975, vol. 97, no. 3, pp. 480--490. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3450412

[24] Arbekov A.N. Selection of the working medium for 6- to 12-kW closed organic-fuel-powered gas-turbine plants. High Temp., 2014, vol. 52, no. 1, pp. 121--125.DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X14010015

[25] McAdams W.H. Heat transmission. New York, McGraw-Hill Book Company, 1954.