Учет инерционности нагревателя в методике однопоточного нестационарного метода для исследования поверхностей теплообмена

Аннотация

Рассмотрена задача по учету инерционности нагревателя при однопоточном нестационарном методе исследования теплообмена в теплообменных матрицах. Показано, что температура газа на входе значительно отличается от идеальной прямоугольной "ступеньки". Эта зависимость получена теоретически на основании конструктивного исполнения нагревателя и известных экспериментальных данных без применения эмпирических констант, которые необходимо определять в методических экспериментах. Выполнено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами аналитических решений для цилиндра при нестационарном охлаждении и граничных условиях 3-го рода, показано их хорошее совпадение. Описана математическая модель, которая вследствие малых чисел Био (менее 0,1) основана на решении обычных дифференциальных уравнений для температуры проволоки нагревателя. Выполнено численное решение для оценки значения максимального наклона временной зависимости температуры с учетом продольной теплопроводности. Определено, что точность однопоточного нестационарного метода уменьшается при увеличении продольной теплопроводности исследуемой матрицы теплообмена и уменьшении числа Ntu, которое представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи. Полученные результаты актуальны при исследовании коэффициента теплоотдачи высококомпактных поверхностей теплообмена. Такие теплообменные поверхности широко применяют в различных отраслях промышленности: энергетике, нефтегазовом секторе, транспорте, холодильной технике

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Егоров К.С., Степанова Л.В. Учет инерционности нагревателя в методике однопоточного нестационарного метода для исследования поверхностей теплообмена. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2025, № 4 (155), c. 118--132. EDN: GBWFPL

Литература

[1] Kays W.M., London A.L. Compact heat exchangers. Malabar, Krieger Publ., 1998.

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

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

[4] Luo X., Roetzel W. The single-blow transient testing technique for plate-fin heat exchangers. Int. J. Heat Mass Transf., 2001, vol. 44, no. 19, pp. 3745--3753. DOI: https://doi.org/10.1016/S0017-9310(01)00019-9

[5] 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. Sustain. Energy Rev., 2010, vol. 14, no. 1, pp. 478--485. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.06.033

[6] Liang C., Yang W.J. Modified single-blow technique for performance evaluation on heat transfer surfaces. J. Heat Transfer, 1975, vol. 97, no. 1, pp. 16--21. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3450280

[7] Pucci P.F., Howard C.P., Piersall C.H.-Jr. The single blow transient testing technique for compact heat exchanger surfaces. J. Eng. Power, 1967, vol. 89, no. 1, pp. 29--38. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3616604

[8] Lapinski A., Smierciew K., Zou H., et al. Measurement of heat transfer and flow resistance for a packed bed of horticultural products with the implementation of a single blow technique. Processes, 2021, vol. 9, no. 12, art. 2151. DOI: http://doi.org/10.3390/pr9122151

[9] Egorov K.S., Krylov V.I., Stepanova L.V., et al. Calculation of the maximum slope angles of the temperature curve for the single-flow non-stationary method of deriving the thermal characteristics of heat transfer surfaces. Meas. Tech., 2017, vol. 60, no. 9, pp. 916--921. DOI: http://doi.org/10.1007/s11018-017-1293-1

[10] Yoon S.S., Yang W.J. New performance-evaluation analyses on heat transfer surfaces by single-blow technique. Int. J. Heat Mass Transf., 1987, vol. 30, no. 8, pp. 1587--1594. DOI: http://doi.org/10.1016/0017-9310(87)90303-6

[11] Kohlmayr G.F. Synthesis of the step-change single-blow transient temperature response. ZAMP, 1971, vol. 22, no. 4, pp. 724--736. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01587768

[12] Luo X., Roetzel W. Theoretical study on the single-blow testing technique considering lateral heat resistance of fins in plate-fin heat exchangers. In: Heat transfer science and technology. Beijing, Higher Education Press, 2000, pp. 691--696.

[13] Kohlmayr G.F. Exact maximum slopes for transient matrix heat-transfer testing. Int. J. Heat Mass Transf., 1966, vol. 9, no. 7, pp. 671--680. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(66)90043-3

[14] Kohlmayr G.F. Extension of the maximum slope method to arbitrary upstream fluid temperature changes. J. Heat Transfer, 1968, vol. 90, no. 1, pp. 130--134. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3597442

[15] Kohlmayr G.F. An indirect curve matching method for transient matrix heat-transfer testing in the low NTU-range. Int. J. Heat Mass Transf., 1968, vol. 11, no. 3, pp. 567--581. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(68)90097-5

[16] Fand R.M., Keswani K.K. A continuous correlation equation for heat transfer from cylinders to air in crossflow for Reynolds numbers from 10--2 to 2 × 105. Heat Mass Transf., 1972, vol. 15, no. 3, pp. 559--562. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(72)90219-0

[17] Fand D.C.C., Williams M.J. Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers. J. Fluid Mech., 1959, vol. 6, no. 3, pp. 357--384. DOI: http://doi.org/10.1017/S0022112059000696

[18] Wood W.W. Free and forced convection from fine hot wires. J. Fluid Mech., 1972, vol. 55, no. 3, pp. 419--438. DOI: http://doi.org/10.1017/S0022112072001934

[19] Howard C.P. The single blow problem including the effects of longitudinal conduction. ASME Gas Turbine Conference and Products Show, 1964, paper 64-GT2-11. DOI: https://doi.org/10.1115/64-GTP-11

[20] Locke G.L. Heat transfer and flow friction characteristics of porous solids. TR-No. 10. Stanford, Stanford University, 1950.