Кинетика жидкостного охлаждения тел в проточных аппаратах без фазовых превращений
Ключевые слова:
модель, охлаждение, изделие, камера охлаждения, импеллер
Аннотация
На основе гидродинамической структуры идеального перемешивания предложена модель класса с сосредоточенными параметрами для описания кинетики конвективного охлаждения изделий различной геометрии без фазового перехода жидкого охладителя в специализированных резервуарах, снабженных импеллером для создания насосного эффекта и циркуляционного потока. Отсутствие необходимости в постановке граничных условий позволило формализовать её с помощью балансовых соотношений в виде задачи Коши для системы линейных дифференциальных уравнений в обыкновенных производных относительно температур охладителя и изделия и получить аналитическое решение. Для обоснования принятых допущений рассмотрен пример охлаждения водой изделия в виде однородного металлического шара в камере, соответствующей промышленным типоразмерам. Результаты расчетов по скорости охлаждения шара коррелируют с классическим решением об охлаждении шара в осесимметричной постановке при граничном условии 3-го рода на его смоченной поверхности. С помощью модели количественно оценены интенсифицирующие факторы: увеличение скорости подачи охладителя; конструкция и частота вращения импеллера; использование наножидкости в качестве охладителя. Кроме того, модель учитывает теплообмен с окружающей средой через стенку камеры охлаждения. Показано, что предложенная модель применима и для охлаждения тел в непроточных аппаратах. Изложенный подход может быть использован для экспериментальной обработки термограммы охладителя на выходе из камеры охлаждения для верификации коэффициента теплоотдачи от изделий сложной топологии при различных гидродинамических режимах обтекания, регулируемого частотой вращения импеллера.
Литература
1. Duroudier J.-P. Heat Transfer in the Chemical, Food and Pharmaceutical Industries. N.-Y.: ISTE Press — Elsevier, 2017.
2. Aloui F., Varuvel E.G., Sonthalia A. Handbook of Thermal Management Systems. N.-Y.: Elsevier, 2023.
3. Shavrin O.I., Dementiyev V.B., Maslov L.N., Zasypkin A.L. The Quality of the Surface of Thermomechanically Hardened Cylindrical Items. Izhevsk: IPM UrO RAN, 2006.
4. Makarov S.S., Khramov S.N., Chekmyshev K.E. The Design of Sprayer Device for Hardening Exisymmetrical Treatment // Yoshkar-Ola: Novyy Universitet. Serriya «Tekhnicheskie nauki». 2012. No. 4. Pp. 22—25.
5. Lipanov A.M., Makarov S.S. Numerical Solutions of the Problem of Cooling a High-temperature Solid Metal Cylinder by the Water and Air Flow // Mashinostroenie i Inzhenernoe Obrazovanie. 2014. No. 1. Pp. 36—42.
6. Kothandaraman C.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New Delhi: New Age International (P) Limited Publ., 2006.
7. Korkmaz M.E., Gupta M.K., Ross N.S., Sivalingam V. Implementation of Green Cooling/Lubrication Strategies in Metal Cutting Industries: a State of the Art Fowards Sustainable Future And Challenges // Sustainable Materials and Technol. 2023. V. 36. P. e00641.
8. Makarov S.S., Dementyiev V.B., Makarova E.V. Mathematical Modeling of Cooling High-temperature Cylindrical Work-pieces // Proc. Eng. 2016. V. 150. Pp. 393—399.
9. Pramanik A. Machining and Tribology: Processes, Surfaces, Coolants, and Modeling. N.-Y.: Elsevier Inc., 2022.
10. Yang G., Fan X., Chen X., Huang X., Li X. Optimization of Cooling Process of Iron Ore Pellets Based on Mathematical Model and Data Mining // J. Iron and Steel Res. Int. 2015. V. 22. Pp. 2002—2008.
11. Seneviratne M.A. Practical Approach to Water Conservation for Commercial and Industrial Facilities. N.-Y.: Elsevier Ltd., 2006.
12. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральное преобразование и операционное исчисление. М.: Наука, 1974.
13. Заплатин В.Н., Сапожников Ю.И., Дубров А.В., Духнеев Ч.М. Основы материаловедения (металлообработка). М. Академия, 2017.
14. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991.
15. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. М.: Химия, 1975.
16. Whitaker S. Forced Convection Heat Transfer Correlations for Flow in Pipes, Past Flat Plates, Single Cylinders, Singles Spheres, and For Flow in Packed Beds and Tube Burles // AIChE J. 1972. V. 18. Pp. 361—371.
17. Churchill S.W., Chu H.H.S. Correlating Equations for Laminar and Turbulent Free Convection From a Vertical Plate // Int. J. Heat Mass Transfer. 1975. V. 18. Pp. 1323—1329.
18. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.
19. Ozisik M.N. Heat Conduction. N.-Y.: John Wiley & Sons Inc., 1993.
20. Терехов В.И., Калинина С.В., Леманов В.В. Механизм теплопереноса в наножидкостях: современное состояние проблемы (обзор). Ч. 1. Синтез и свойства наножидкостей // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17. № 1. С. 1—15
---
Для цитирования: Ряжских А.В., Коновалов Д.А., Хвостов А.А, Краснов А.А., Ряжских В.И. Кинетика жидкостного охлаждения тел в проточных аппаратах без фазовых превращений // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 116—124. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-116-124
#
---
1. Duroudier J.-P. Heat Transfer in the Chemical, Food and Pharmaceutical Industries. N.-Y.: ISTE Press — Elsevier, 2017.
2. Aloui F., Varuvel E.G., Sonthalia A. Handbook of Thermal Management Systems. N.-Y.: Elsevier, 2023.
3. Shavrin O.I., Dementiyev V.B., Maslov L.N., Zasypkin A.L. The Quality of the Surface of Thermomechanically Hardened Cylindrical Items. Izhevsk: IPM UrO RAN, 2006.
4. Makarov S.S., Khramov S.N., Chekmyshev K.E. The Design of Sprayer Device for Hardening Exisymmetrical Treatment. Yoshkar-Ola: Novyy Universitet. Serriya «Tekhnicheskie nauki». 2012;4:22—25.
5. Lipanov A.M., Makarov S.S. Numerical Solutions of the Problem of Cooling a High-temperature Solid Metal Cylinder by the Water and Air Flow. Mashinostroenie i Inzhenernoe Obrazovanie. 2014;1:36—42.
6. Kothandaraman C.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New Delhi: New Age International (P) Limited Publ., 2006.
7. Korkmaz M.E., Gupta M.K., Ross N.S., Sivalingam V. Implementation of Green Cooling/Lubrication Strategies in Metal Cutting Industries: a State of the Art Fowards Sustainable Future And Challenges. Sustainable Materials and Technol. 2023;36:e00641.
8. Makarov S.S., Dementyiev V.B., Makarova E.V. Mathematical Modeling of Cooling High-temperature Cylindrical Work-pieces. Proc. Eng. 2016;150:393—399.
9. Pramanik A. Machining and Tribology: Processes, Surfaces, Coolants, and Modeling. N.-Y.: Elsevier Inc., 2022.
10. Yang G., Fan X., Chen X., Huang X., Li X. Optimization of Cooling Process of Iron Ore Pellets Based on Mathematical Model and Data Mining. J. Iron and Steel Res. Int. 2015;22:2002—2008.
11. Seneviratne M.A. Practical Approach to Water Conservation for Commercial and Industrial Facilities. N.-Y.: Elsevier Ltd., 2006.
12. Ditkin V.A., Prudnikov A.P. Integral'noe Preobrazovanie i Operatsionnoe Ischislenie. M.: Nauka, 1974. (in Russian).
13. Zaplatin V.N., Sapozhnikov Yu.I., Dubrov A.V., Dukhneev Ch.M. Osnovy Materialovedeniya (Metalloobrabotka). M. Akademiya, 2017. (in Russian).
14. Fizicheskie Velichiny. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
15. Strenk F. Peremeshivanie i Apparaty s Meshalkami. M.: Khimiya, 1975. (in Russian).
16. Whitaker S. Forced Convection Heat Transfer Correlations for Flow in Pipes, Past Flat Plates, Single Cylinders, Singles Spheres, and For Flow in Packed Beds and Tube Burles. AIChE J. 1972. V. 18:361—371.
17. Churchill S.W., Chu H.H.S. Correlating Equations for Laminar and Turbulent Free Convection From a Vertical Plate. Int. J. Heat Mass Transfer. 1975. V. 18:1323—1329.
18. Lykov A.V. Teoriya Teploprovodnosti. M.: Vysshaya Shkola, 1967. (in Russian).
19. Ozisik M.N. Heat Conduction. N.-Y.: John Wiley & Sons Inc., 1993.
20. Terekhov V.I., Kalinina S.V., Lemanov V.V. Mekhanizm Teploperenosa v Nanozhidkostyakh: Sovremennoe Sostoyanie Problemy (Obzor). Ch. 1. Sintez i Svoystva Nanozhidkostey. Teplofizika i Aeromekhanika. 2010;17;1:1—15. (in Russian)
---
For citation: Ryazhskih A.V., Konovalov D.A., Khvostov A.A., Krasnov A.A., Ryazhskih V.I. Kinetics of Liquid Cooling of Bodies in Flow Devices without Phase Transition. Bulletin of MPEI. 2024;4:116—124. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-116-124
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Aloui F., Varuvel E.G., Sonthalia A. Handbook of Thermal Management Systems. N.-Y.: Elsevier, 2023.
3. Shavrin O.I., Dementiyev V.B., Maslov L.N., Zasypkin A.L. The Quality of the Surface of Thermomechanically Hardened Cylindrical Items. Izhevsk: IPM UrO RAN, 2006.
4. Makarov S.S., Khramov S.N., Chekmyshev K.E. The Design of Sprayer Device for Hardening Exisymmetrical Treatment // Yoshkar-Ola: Novyy Universitet. Serriya «Tekhnicheskie nauki». 2012. No. 4. Pp. 22—25.
5. Lipanov A.M., Makarov S.S. Numerical Solutions of the Problem of Cooling a High-temperature Solid Metal Cylinder by the Water and Air Flow // Mashinostroenie i Inzhenernoe Obrazovanie. 2014. No. 1. Pp. 36—42.
6. Kothandaraman C.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New Delhi: New Age International (P) Limited Publ., 2006.
7. Korkmaz M.E., Gupta M.K., Ross N.S., Sivalingam V. Implementation of Green Cooling/Lubrication Strategies in Metal Cutting Industries: a State of the Art Fowards Sustainable Future And Challenges // Sustainable Materials and Technol. 2023. V. 36. P. e00641.
8. Makarov S.S., Dementyiev V.B., Makarova E.V. Mathematical Modeling of Cooling High-temperature Cylindrical Work-pieces // Proc. Eng. 2016. V. 150. Pp. 393—399.
9. Pramanik A. Machining and Tribology: Processes, Surfaces, Coolants, and Modeling. N.-Y.: Elsevier Inc., 2022.
10. Yang G., Fan X., Chen X., Huang X., Li X. Optimization of Cooling Process of Iron Ore Pellets Based on Mathematical Model and Data Mining // J. Iron and Steel Res. Int. 2015. V. 22. Pp. 2002—2008.
11. Seneviratne M.A. Practical Approach to Water Conservation for Commercial and Industrial Facilities. N.-Y.: Elsevier Ltd., 2006.
12. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральное преобразование и операционное исчисление. М.: Наука, 1974.
13. Заплатин В.Н., Сапожников Ю.И., Дубров А.В., Духнеев Ч.М. Основы материаловедения (металлообработка). М. Академия, 2017.
14. Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991.
15. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. М.: Химия, 1975.
16. Whitaker S. Forced Convection Heat Transfer Correlations for Flow in Pipes, Past Flat Plates, Single Cylinders, Singles Spheres, and For Flow in Packed Beds and Tube Burles // AIChE J. 1972. V. 18. Pp. 361—371.
17. Churchill S.W., Chu H.H.S. Correlating Equations for Laminar and Turbulent Free Convection From a Vertical Plate // Int. J. Heat Mass Transfer. 1975. V. 18. Pp. 1323—1329.
18. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.
19. Ozisik M.N. Heat Conduction. N.-Y.: John Wiley & Sons Inc., 1993.
20. Терехов В.И., Калинина С.В., Леманов В.В. Механизм теплопереноса в наножидкостях: современное состояние проблемы (обзор). Ч. 1. Синтез и свойства наножидкостей // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17. № 1. С. 1—15
---
Для цитирования: Ряжских А.В., Коновалов Д.А., Хвостов А.А, Краснов А.А., Ряжских В.И. Кинетика жидкостного охлаждения тел в проточных аппаратах без фазовых превращений // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 116—124. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-116-124
#
---
1. Duroudier J.-P. Heat Transfer in the Chemical, Food and Pharmaceutical Industries. N.-Y.: ISTE Press — Elsevier, 2017.
2. Aloui F., Varuvel E.G., Sonthalia A. Handbook of Thermal Management Systems. N.-Y.: Elsevier, 2023.
3. Shavrin O.I., Dementiyev V.B., Maslov L.N., Zasypkin A.L. The Quality of the Surface of Thermomechanically Hardened Cylindrical Items. Izhevsk: IPM UrO RAN, 2006.
4. Makarov S.S., Khramov S.N., Chekmyshev K.E. The Design of Sprayer Device for Hardening Exisymmetrical Treatment. Yoshkar-Ola: Novyy Universitet. Serriya «Tekhnicheskie nauki». 2012;4:22—25.
5. Lipanov A.M., Makarov S.S. Numerical Solutions of the Problem of Cooling a High-temperature Solid Metal Cylinder by the Water and Air Flow. Mashinostroenie i Inzhenernoe Obrazovanie. 2014;1:36—42.
6. Kothandaraman C.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New Delhi: New Age International (P) Limited Publ., 2006.
7. Korkmaz M.E., Gupta M.K., Ross N.S., Sivalingam V. Implementation of Green Cooling/Lubrication Strategies in Metal Cutting Industries: a State of the Art Fowards Sustainable Future And Challenges. Sustainable Materials and Technol. 2023;36:e00641.
8. Makarov S.S., Dementyiev V.B., Makarova E.V. Mathematical Modeling of Cooling High-temperature Cylindrical Work-pieces. Proc. Eng. 2016;150:393—399.
9. Pramanik A. Machining and Tribology: Processes, Surfaces, Coolants, and Modeling. N.-Y.: Elsevier Inc., 2022.
10. Yang G., Fan X., Chen X., Huang X., Li X. Optimization of Cooling Process of Iron Ore Pellets Based on Mathematical Model and Data Mining. J. Iron and Steel Res. Int. 2015;22:2002—2008.
11. Seneviratne M.A. Practical Approach to Water Conservation for Commercial and Industrial Facilities. N.-Y.: Elsevier Ltd., 2006.
12. Ditkin V.A., Prudnikov A.P. Integral'noe Preobrazovanie i Operatsionnoe Ischislenie. M.: Nauka, 1974. (in Russian).
13. Zaplatin V.N., Sapozhnikov Yu.I., Dubrov A.V., Dukhneev Ch.M. Osnovy Materialovedeniya (Metalloobrabotka). M. Akademiya, 2017. (in Russian).
14. Fizicheskie Velichiny. M.: Energoatomizdat, 1991. (in Russian).
15. Strenk F. Peremeshivanie i Apparaty s Meshalkami. M.: Khimiya, 1975. (in Russian).
16. Whitaker S. Forced Convection Heat Transfer Correlations for Flow in Pipes, Past Flat Plates, Single Cylinders, Singles Spheres, and For Flow in Packed Beds and Tube Burles. AIChE J. 1972. V. 18:361—371.
17. Churchill S.W., Chu H.H.S. Correlating Equations for Laminar and Turbulent Free Convection From a Vertical Plate. Int. J. Heat Mass Transfer. 1975. V. 18:1323—1329.
18. Lykov A.V. Teoriya Teploprovodnosti. M.: Vysshaya Shkola, 1967. (in Russian).
19. Ozisik M.N. Heat Conduction. N.-Y.: John Wiley & Sons Inc., 1993.
20. Terekhov V.I., Kalinina S.V., Lemanov V.V. Mekhanizm Teploperenosa v Nanozhidkostyakh: Sovremennoe Sostoyanie Problemy (Obzor). Ch. 1. Sintez i Svoystva Nanozhidkostey. Teplofizika i Aeromekhanika. 2010;17;1:1—15. (in Russian)
---
For citation: Ryazhskih A.V., Konovalov D.A., Khvostov A.A., Krasnov A.A., Ryazhskih V.I. Kinetics of Liquid Cooling of Bodies in Flow Devices without Phase Transition. Bulletin of MPEI. 2024;4:116—124. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-116-124
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-06-18
Выпуск
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)
