Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2015; 1: 1-11

Массогабаритная оптимизация теплообменных аппаратов аэрокосмических силовых установок

Клюквин А. Д., Куникеев Б. А.

Аннотация

В данной работе предложен алгоритм расчета теплообменных аппаратов, учитывающий массогабаритные характеристики корпуса и патрубков теплообменного аппарата. На примере расчета воздухо-воздушного теплообменного аппарата перекрестной схемы проведено сравнение различных известных методик массогабаритной оптимизации теплообменных аппаратов. Показано, что методы, использующие естественные (габаритные размеры, площадь теплообмена, объем и масса) или производные (коэффициент кубичности) характеристики матрицы теплообменного аппарата в качестве оптимизационных критериев вариантных расчетов, позволяют получить лишь весьма приблизительную оценку массогабаритных свойств теплообменного аппарата в целом, и их применение может приводить к выбору неоптимальной модели теплообменного аппарата. DOI: 10.7463/aersp.0515.0823574
Список литературы

1. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. Пер. с англ. М.: Энергия, 1967. 224 с.

2. Иванов В.Л., Леонтьев А.И., Манушин Э.А., Осипов М.И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок / под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ, 2003. 592 с.

3. Егоров К.С. Экспериментальное исследование характеристик пластинчато-ребристых высококомпатных поверхностей теплообмена. // Труды МАИ. Электрон. журн. 2012. № 52. 8 c. Режим доступа: http://www.mai.ru/publications/index.php?ID=29545 (дата обращения: 18.10.2015).

4. Егоров К.С., Щеголев Н.Л. Исследование характеристик высококомпактных пластинчато-ребристых поверхностей теплообмена со смещенным ребром // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. №6. С.351-362. DOI: 10.7463/0612.0431788

5. Афанасьев В.Н., Бурцев С.А., Егоров К.С., Кулагин А.Ю. Цилиндр в пограничном слое плоской пластины // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №2. С. 3 - 22.

6. Клюквин А.Д. Верификация численного расчета параметров ламинарного пограничного слоя // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. №4. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/775027.html (дата обращения: 18.10.2015).

7. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки параллельной схемы // Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4, №7. С. 326-331.

8. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки последовательной схемы // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/359008.html (дата обращения 18.02.2015).

9. Бурцев С.А., Самойлов М.Ю., Симаков М.В. Анализ экологических аспектов применения перспективных схем силовых установок ближне- и среднемагистральных самолетов // Безопасность в техносфере. 2015. Т. 4, №2. С. 67-72. DOI: 10.12737/11335

10. Перескоков Е.В. Оптимизация геометрии компактных теплообменных аппаратов с использованием пакета CATIA // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. №2. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/544397.html (дата обращения: 18.10.2015).

11. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

12. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. №5. С.314-329. DOI: 10.7463/0514.0710811.

13. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 599 с.

Aerospace Scientific Journal. 2015; 1: 1-11

Weight-size Optimization of Aerospace Propulsion System Heat Exchangers

Kliukvin A. D., Kunikeev B. A.

Abstract

The paper offers an algorithm for optimizing weight-size parameters of heat exchangers (HE), which allows to take into account not only the size and weight of the matrix, but also the weight and size of the HE tubes and shell.
The feature of the proposed algorithm is that a simplified HE model (matrix, shell, and tubes) in assembly rather than HE matrix is considered during the optimization calculations. Thus, there are additional parameters to be specified such as wall thickness of tubes and shell, form and arrangement of tubes, coolant flow circuit. Simultaneously with the thermal-hydraulic calculation and estimate of HE weight-size parameters, as a whole, tube opening angles are optimized and a problem of splitter baffle to be in them is solved.
In the context of simple calculation of air-to-air recuperative heat exchanger with a cross (one-way) circuit coolant flow and plate-fin heat exchange surfaces with short plate fin (PlR1 - PlR12) are compared different methods for the HE weight-size optimization.
It is shown that the techniques and algorithms using natural (size, area of heat transfer, mass) characteristics or derivatives (cubic coefficient) of the HE matrix, as the optimization criteria of variants calculation, provide only a very rough estimate of the HE weight-size characteristics, as a whole. Their use may result in non-optimal choice (in mass and size) of the HE model that when using in aviation and space technology leads to an additionally increasing mass of the aircraft.
Using the proposed technique allows more accurate (as compared to the methods based on the estimation of the matrix parameters) assessment of weight-size characteristics of designed HE, as an explicit calculation involves parameters of tubes and shell with their share of the HE mass being more than half.

References

1. Keis V.M., London A.L. Kompaktnye teploobmenniki. Per. s angl. M.: Energiya, 1967. 224 s.

2. Ivanov V.L., Leont'ev A.I., Manushin E.A., Osipov M.I. Teploobmennye apparaty i sistemy okhlazhdeniya gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok / pod red. A.I. Leont'eva. M.: Izd-vo MGTU, 2003. 592 s.

3. Egorov K.S. Eksperimental'noe issledovanie kharakteristik plastinchato-rebristykh vysokokompatnykh poverkhnostei teploobmena. // Trudy MAI. Elektron. zhurn. 2012. № 52. 8 c. Rezhim dostupa: http://www.mai.ru/publications/index.php?ID=29545 (data obrashcheniya: 18.10.2015).

4. Egorov K.S., Shchegolev N.L. Issledovanie kharakteristik vysokokompaktnykh plastinchato-rebristykh poverkhnostei teploobmena so smeshchennym rebrom // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2012. №6. S.351-362. DOI: 10.7463/0612.0431788

5. Afanas'ev V.N., Burtsev S.A., Egorov K.S., Kulagin A.Yu. Tsilindr v pogranichnom sloe ploskoi plastiny // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2011. №2. S. 3 - 22.

6. Klyukvin A.D. Verifikatsiya chislennogo rascheta parametrov laminarnogo pogranichnogo sloya // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2015. №4. Rezhim dostupa: http://sntbul.bmstu.ru/doc/775027.html (data obrashcheniya: 18.10.2015).

7. Arbekov A.N., Burtsev S.A. Issledovanie tsikla zamknutoi gazoturbinnoi trigeneratsionnoi ustanovki parallel'noi skhemy // Teplovye protsessy v tekhnike. 2012. T. 4, №7. S. 326-331.

8. Arbekov A.N., Burtsev S.A. Issledovanie tsikla zamknutoi gazoturbinnoi trigeneratsionnoi ustanovki posledovatel'noi skhemy // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2012. № 3. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/359008.html (data obrashcheniya 18.02.2015).

9. Burtsev S.A., Samoilov M.Yu., Simakov M.V. Analiz ekologicheskikh aspektov primeneniya perspektivnykh skhem silovykh ustanovok blizhne- i srednemagistral'nykh samoletov // Bezopasnost' v tekhnosfere. 2015. T. 4, №2. S. 67-72. DOI: 10.12737/11335

10. Pereskokov E.V. Optimizatsiya geometrii kompaktnykh teploobmennykh apparatov s ispol'zovaniem paketa CATIA // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2013. №2. Rezhim dostupa: http://sntbul.bmstu.ru/doc/544397.html (data obrashcheniya: 18.10.2015).

11. Vargaftik N.B. Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei. M.: Nauka, 1972. 720 s.

12. Burtsev S.A., Kochurov D.S., Shchegolev N.L. Issledovanie vliyaniya doli geliya na znachenie kriteriya Prandtlya gazovykh smesei // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2014. №5. S.314-329. DOI: 10.7463/0514.0710811.

13. Idel'chik I.E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam. M.: Mashinostroenie, 1975. 599 s.