Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Моделирование тепломассопереноса в системах пористо-сублимационного термостатирования энергоустановок

Диссертация: Моделирование тепломассопереноса в системах пористо-сублимационного термостатирования энергоустановок
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских, региональных и вузовских конференциях, в том числе: на Международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2000;2002), XIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И… Читать ещё >

Моделирование тепломассопереноса в системах пористо-сублимационного термостатирования энергоустановок (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОРИСТО-СУБЛИМАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
    • 1. 1. Моделирование процессов тепло- и массообмена в пористых средах при наличии фазовых переходов
    • 1. 2. Механизм и характер сублимации хладагентов в вакууме
    • 1. 3. Тепломассообмен в пористых средах
    • 1. 4. Пористо-сублимационные аккумуляторы холода
    • 1. 5. Выводы и задачи исследования
  • 2. СИНТЕЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ПОРИСТО-СУБЛИМАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
  • 2. Л. Анализ схем термостатирования
    • 2. 2. Кинетика и механизм моделируемых процессов
    • 2. 3. Физическая постановка задачи
    • 2. 4. Метод математического моделирования
    • 2. 5. Моделирование функционирования пористо-сублимационного теплообменника
      • 2. 5. 1. Постановка одномерной задачи
      • 2. 5. 2. Моделирование процессов теплообмена в пористо-сублимационном теплообменнике
      • 2. 5. 3. Моделирование процесса массопереноса в пористо-сублимационном теплообменнике
      • 2. 5. 4. Модель функционирования пористо-сублимационного теплообменника с непрерывной подачей жидкого хладагента
      • 2. 5. 5. Разностная модель процессов тепломассообмена в пористо-сублимационном теплообменнике
    • 2. 6. Анализ одномерной модели
  • 3. АНАЛИЗ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОРИСТО-СУБЛИМАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
    • 3. 1. Двумерная математическая модель процессов тепло и массоиереноса в пористо-сублимационном теплообменнике
      • 3. 1. 1. Построение математической модели тепловых процессов. Двумерный случай
      • 3. 1. 2. Моделирование процесса проницаемости хладагента при линейном распределении концентрации в области вакуума
      • 3. 1. 3. Математическая модель процессов тепломассопереноса в пористо-сублимационном теплообменнике с подачей жидкого хладагента
    • 3. 2. Разностная аппроксимация задачи о тепловом режиме в пористо-сублимационном теплообменнике
      • 3. 2. 1. Разностная аппроксимация с использованием явной схемы метода конечных разностей
      • 3. 2. 2. Алгоритм решения разностной системы тепломассопереноса
      • 3. 2. 3. Разностная аппроксимация с использованием схемы расщепления
    • 3. 3. Вычислительный эксперимент
      • 3. 3. 1. Формулировка критерия устойчивости работы системы пористо-сублимационного охлаждения
      • 3. 3. 2. Оценка адекватности расчетной модели реальным процессам
      • 3. 3. 3. Расчет эффективности применения различных хладагентов
  • ВЫВОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность темы

Одним из эффективных способов разработки и модернизации систем термостатирования криогенных систем является применение пористо-сублимационного охлаждения с помощью теплообменников, в пористый скелет которых вморожен хладагент. Эффективность этого способа обусловлена оптимальной по сравнению с другими величиной тепловой нагрузки за счет применения пористой структуры, обеспечивающей максимальную площадь контакта тепловыделяющего элемента с сублимирующим хладагентом, что позволяет минимизировать габаритные и весовые показатели. Известно, что продолжительность работы современных аккумуляторов холода на твердых криогенных продуктах определяется количеством предварительно замороженного в пористой структуре криоагента. В этом случае эксплуатация аккумуляторов возможна после заправки криоагентом, что влечет за собой отсоединение теплообменника от объекта термостатирования. Для термостатирования объектов в течение длительного времени требуется использование теплообменных устройств с постоянной подачей жидкого хладагента. Применение имеющихся математических моделей систем пористо-сублимационного охлаждения для исследования систем с непрерывной подачей хладагента оказывается некорректным. В связи с этим построение математических моделей пористо-сублимационного охлаждения с непрерывной подачей хладагента является актуальным.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления «Физико-технические проблемы энергетики и экологии» ГБ 96.12.

Цель и задачи исследования

Разработка математической модели теп-ломассопереноса в пористо-сублимационных теплообменниках с непрерывной подачей хладагента для описания их функционирования и прогнозирования работы.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Синтез математической модели процесса тепломассопереноса в пористо-сублимационных системах охлаждения с непрерывной подачей хладагента.

2. Построение алгоритма функционирования системы охлаждения такого типа.

3. Анализ результатов вычислительного эксперимента с целью идентификации параметров, обеспечивающих устойчивую работу системы охлаждения.

4. Разработка практических рекомендаций по обеспечению устойчивости работы теплообменников.

Методы исследований. Полученные результаты базируются на теории тепломассообмена, методах математического моделирования с использованием средств вычислительной техники.

Научная новизна:

— синтезирована математическая модель, описывающая тепловое состояние и положение фронтов фазовых переходов в пористо-сублимационном теплообменнике с непрерывной подачей хладагента;

— на основе алгоритма функционирования системы охлаждения разработана программа расчета температурных полей и положения фронтов фазовых переходов в пористо-сублимационном теплообменнике с непрерывной подачей хладагента;

— предложены критерии применимости алгоритмов при проектировании теплообменников;

— получены критерии, обеспечивающие устойчивую работу системы пористо-сублимационного охлаждения.

На защиту выносятся:

1. Теоретический анализ теплового состояния пористо-сублимационного теплообменника.

2. Оценка эффективности использования различных хладагентов.

3. Практические рекомендации по формированию области твердой фазы хладагента в пористо-сублимационном теплообменнике.

Практическая значимость и реализация результатов. Алгоритмы и программы, созданные и зарегистрированные в Государственном фонде, позволяют:

— прогнозировать тепловое состояние и положения поверхностей фазовых переходов при различных случаях подвода жидкого хладагента;

— использовать предложенный алгоритм в вычислительном эксперименте для анализа эффективности применения различных хладагентов.

Материалы диссертационной работы используются в практике конструкторского бюро химавтоматики при создании энергетических установок, а также при чтении лекций по курсам «Техническая термодинамика» и «Тепломассообмен» на кафедре теоретической и промышленной теплоэнергетики Воронежского государственного технического университета, «Численные методы», «Уравнения математической физики», «Компьютерное моделирование» на кафедре информатики и методики преподавания математики Воронежского государственного педагогического университета.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских, региональных и вузовских конференциях, в том числе: на Международной научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2000;2002), XIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 2001), Третьей Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002), региональном межвузовском семинаре «Процессы теплообмена в энергомашиностроении» (Воронеж, 2000;2002).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 12 печатных работ, в том числе две программы, зарегистрированные в Государственном фонде алгоритмов и программ РФ. В печатных работах часть материалов опубликована в соавторстве. Автором разработаны: моделирование движения поверхностей фазовых переходов [3, 6]- алгоритм сопряжения тепловой и массообменной задач [10]- конечно-разностные методы и программный продукт [1, 2, 11]- условия устойчивости и эффективности разностных методов [2, 4]- выбор оптимизируемых параметров [12]- обработка результатов вычислительного эксперимента [5, 7, 8].

Структура и объем диссертации

Работа, изложенная на 131 странице, состоит из введения, трех глав, приложения и списка литературы из 57 наименований, содержит 29 рисунков.

ВЫВОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Построена математическая модель процессов теплообмена, позволяющая прогнозировать тепловое состояние пористо-сублимационного теплообменника. При этом расхождение результатов с известными экспериментальными данными не превышает 2.5%.

2. Разработана модель процесса массопереноса хладагента в пористой среде из области жидкой фазы в газовую область теплообменника для исследования динамики поверхностей фазовых переходов при подаче жидкого хладагента. Расхождение данных, полученных по модели с учетом подачи жидкого хладагента, с известными экспериментальными данными не превышает 5 — 7%.

3. Предложен алгоритм решения уравнений математической модели с реализацией по явной и неявной схеме, что позволяет осуществлять оптимальный выбор расчетной схемы в зависимости от исходных параметров. Расхождение результатов, полученных по этим схемам, не превышает 1%.

4. Сформулирован критерий устойчивости работы системы термоста-тирования. С учетом этого критерия и с использованием компьютерной модели проведен вычислительный эксперимент, определивший значения параметров системы термостатирования, обеспечивающие ее устойчивое функционирование.

5. На основе результатов вычислительного эксперимента предложена методика оптимизации параметров системы пористо-сублимационного термостатирования с целью обеспечения устойчивого функционирования системы в течении длительного времени.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.А., Волынец А. 3. О характере сублимации льда в вакууме // ИФЖ. 1968. — Т. 15. № 5. — С. 777−781.
  2. О некоторых особенностях механизма сублимации и образования кристаллов льда в условиях вакуума / А. В. Лыков, Б. М. Смольский, П. А. Новиков, Е. А. Вагнер // ИФЖ. 1968. — Т. 15. № 5. — С. 782−787.
  3. П.А., Вагнер Е. А. Исследование механизма тепло- и массообмена при сублимации льда в вакууме // ИФЖ. 1968. — Т. 15. № 5. -С. 788−793.
  4. Д.П. Кристаллообразование на поверхности сублимирующего слоя в условиях сублимации льда в вакууме // ИФЖ. -1968. Т. 15. № 5. — С. 794−803.
  5. Механизм сублимации льда-воды в вакууме из одиночного микрокапилляра при радиационном подводе тепла / Д. П. Лебедев, Т. Л. Перельман, В. И. Деркачев, В. Б. Тимофеев // ИФЖ. 1970. — Т. 19. № 2. -С. 211−217.
  6. Д.П., Андреев Е. Ф. Оптимальные условия десублимации льда в вакууме и зависимость от них р и X льда // ИФЖ. 1972. — Т. 23. № 1. -С. 33−41.
  7. Д.П., Жуков В. Н. Влияние содержания и концентрации в водных растворах некоторых ионов на механизм сублимации льда // ИФЖ.1971. Т. 21. № 4. — С. 639−645.
  8. В.Ф., Михальченко Р. С., Архипов В. Т. Исследование затвердевания криогенных жидкостей при использовании откачки // ИФЖ.1972. Т. 22. № 4. — С. 648−655.
  9. Р.С., Гетманец В. Ф., Архипов В. Т. Особенности теплообмена в пористом твердом азоте // ИФЖ. 1972. — Т. 23. № 3. -С. 393−400.
  10. П.А., Михнкж Б. Г., Субач В. М. Теплопроводность пористых сред в зависимости от агрегатного состояния наполнителя // ИФЖ. 1973. — Т. 24. № 6. — С. 1028−1032.
  11. .С., Грачев А. Б., Бродянский В. М. Исследование теплоотдачи при контакте тепловыделяющего элемента с поверхностью сублимирующего твердого криоагента // ИФЖ. 1977. — Т. 33. № 2. — С. 238 242.
  12. Г. Т. Тепловой расчет проницаемой стенки при заданных тепловых потоках на ее поверхности // ИФЖ. 1979. — Т. 37. № 6. -С. 1109−1115.
  13. В.В. Стационарная задача пористого локального охлаждения // ИФЖ. 1983. — Т. 45. № 3. — С. 439−443.
  14. В.В., Заварзин Н. В. Тепломассоперенос в щелевом зазоре при сублимации вращающейся дисковой стенки // ИФЖ. 1985. — Т. 48. № 4. -С. 587−592.
  15. В.В. Сублимация в плоском канале при наличии подвижной и проницаемой стенок // ИФЖ. 1986. — Т. 51. № 1. — С. 125−128.
  16. В.В., Шитов В. В., Терлеев, А .Я. Тепловое состояние пористой пластины в условиях фильтрации охладителя // ИФЖ. 1986. — Т. 51. № 5.-С. 748−752.
  17. С.М. Анализ тепло- и массообмена при пористо-сублимационном охлаждении // ИФЖ. 1990. — Т. 59. № 6. — С. 910−916.
  18. В.В., Левченко Н. М., Остроумов С. М. Исследование пористо-сублимационного охлаждения // ИФЖ. 1991. — Т. 60. № 5. -С. 747−753.
  19. С.М. Влияние тепловой нагрузки на коэффициент теплоотдачи при пористо-сублимационном охлаждении // ИФЖ. 1992. — Т. 62. № 6.-С. 783−785.
  20. С.М. Выбор и оптимизация параметров пористо-сублимационного аккумулятора холода // ИФЖ. 1991. — Т. 60. № 6. -С. 918−922.
  21. В.В., Мозговой Н. В., Некравцев Е. Н. Особенности функционирования и расчета теплообменных аппаратов сублимационных систем термостатирования // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГТУ, 1995. С. 62−70.
  22. Е.Н., Мозговой Н. В., Фалеев С. В. Исследование теплофизических характеристик пористо-сублимационного теплообменника // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 98−103.
  23. Н.В., Некравцев Е. Н. Экспериментальные исследования кинетики фазовых переходов в испарительно-сублимационном теплообменнике // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1997. С. 55−62.
  24. А.Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1966.-724 с.
  25. Цой П. В. Методы расчета задач тепломассопереноса. М.: Энергоатомиздат, 1984. 416 с.
  26. Е.Н. Моделирование и разработка метода расчета температурного состояния пористо-сублимационного теплообменника непрерывного действия: Автореф. дис.. канд. техн. наук / ВГТУ. Воронеж, 1997.- 15 с.
  27. Н.В. Моделирование и разработка методов расчета теплового состояния систем сублимационного термостатирования энергоустановок: Автореф. дис.. д-ра техн. наук / ВГТУ. Воронеж, 2002. -29 с.
  28. А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971.-552 с.
  29. Э. Математический аппарат физики. Справочное руководство. М.: Наука, 1968. 360 с.
  30. А.В. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978.480 с.
  31. М.Н. Сложный теплообмен. М.: Мир, 1976. 616 с.
  32. В.К. Диффузионная кинетика в неподвижных средах. М.: Наука, 1970.-227 с.
  33. Л.А. Кинетическая модель окисления металлсодержащих редокситов молекулярным окислителем в растворах: Автореф. дис.. канд. хим. наук / ВГУ. Воронеж, 1987. 15 с.
  34. А.А. Введение в численные методы. М.: Наука, 1982.272 с.
  35. Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1982. 256 с.
  36. .И., Гетманец В. Ф., Михальченко Р. С. Теплофизика низкотемпературного сублимационного охлаждения. Киев: Наук, думка, 1980.-232 с.
  37. Справочник по физико-техническим основам криогеники / М. П. Малков, И. Б. Данилов, А. Д. Зельдович и др. // М.: Энергия, 1973. -392 с.
  38. А.А., Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978. 592 с.
  39. А.А., Попов Ю. П. Разностные схемы газовой динамики. М.: Наука, 1975.-352 с.
  40. Е.А., Мозговой Н. В., Миловская Л. С. Программа расчета устойчивости границы зоны сублимации. Per. № 50 200 000 080 в Государственном фонде алгоритмов и программ РФ от 23.05.2000 г.
  41. Д. Ши Численные методы в задачах теплообмена М.: Мир, 1988.544 с.
  42. Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1967. -197 с.
  43. Peaceman D.W., Rachford H.H.jr. The numerical solution of parabolic and elliptic differential equations. «Journ. Soc. Industr. Appl. Math.» Vol. 3 (1955). № l.P. 28−42.", T..,. ^ д и д и ди ,
  44. Douglas Jim.jr. On the numerical integration of —- + —- =— byдх ду2 dtimplicit methods. «Journ. Soc. Industr. Appl. Math.» Vol. 3 (1955). № 1. P. 42 -65.
  45. Е.Г. Разностные схемы с расщепляющимся оператором для многомерных нестационарных задач // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1964. Т. 4. № 2. С. 27−35.
  46. Е.А., Мозговой Н. В. О критерии устойчивости границы зоны сублимации // Вестник ВГТУ. Сер. Энергетика. Вып. 7.1. Воронеж: ВГТУ, 2001.С. 79−82.
  47. Н.В., Миловская JI.C., Кубряков Е. А. Численное моделирование процессов отверждения хладагента в испарительно-сублимационном теплообменнике // Теплоэнергетика: Межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГТУ, 1998. С. 46−50.
  48. Подвальный C. JL, Мозговой Н. В., Кубряков Е. А. Построение компьютерной модели испарительно-сублимационного теплообменника //
  49. Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 29−34.
  50. Е.А., Мозговой Н. В., Миловская JI.C. Исследование пористого испарительно-сублимационного теплообменника // Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении: Тр. Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2000. Ч. 1. С. 50−53.
  51. Е.А., Мозговой Н. В. Двумерная математическая модель испарительно-сублимационного теплообменника // Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении: Тр. Второй Междунар. науч,-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2001. С. 28−33.
  52. В.В., Мозговой Н. В., Кубряков Е. А. Построение двумерной математической модели пористо-сублимационного теплообменника // Тр. Третьей российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ, 2002. Т. 5. С. 323−326.
  53. Е.А., Мозговой Н. В. Разработка компьютерной модели испарительно-сублимационного теплообменника // Авиакосмические технологии: Тр. Третьей Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2002. С. 180−185.
  54. Е.А., Мозговой Н. В., Подвальный С. Л. Компьютерная модель оптимизации процессов в испарительно-сублимационном теплообменнике // Техника машиностроения. М.: НТП «Вираж-Центр», 2002. № 5 (39). С. 71 74.
  55. Е.А. О математическом моделировании процесса проницаемости хладагента сквозь пористую среду // Вестник ВГТУ. Сер. Энергетика. Вып. 7.2. Воронеж: ВГТУ, 2002. С. 100 105.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!